每个 IP 数据报都以一个 IP 报头开始。源计算机的 TCP/IP 软件构造这个 IP 报头，目的计算机的 TCP/IP 软件利用 IP 报头中封装的信息处理数据。IP 报头包含大量信息，包括源 IP 地址、目的 IP 地址、数据报长度、IP版本号和对路由器的特殊指令等。
Version
这个 4 位的字段表示所使用的 IP 版本。IPv4 相应的二进制是 0100。
IHL(Internet Header Length)
这个 4 位字段表示 IP 报头以 32 位字为单位的长度。IP 报头的最小长度是 5 个 32 比特字，相应的二进制表示 0101。
Type of Service
源 IP 能够指定特殊的路由信息。有些路由器会忽略这个地段的信息，但随着服务质量（QoS）技术的出现，这个字段得到了更多的重视。这个 8 位字段的主要用途是对等待通过路由器的数据报区分优先级，而目前大多数 IP 实现是把这个字段全填为 0。
Total Length
这个 16 位的字段表示 IP 数据报的长度，单位是字节，这个长度包含了 IP 报头和数据载荷。
Identification
这个 16 位的字段是一个依序变大的数值，分配给源 IP 发出的消息。当传递到 IP 层的消息太大而不能放到一个数据报里时，IP 会把消息拆分到多个数据报，并对这些数据报排序分配相同的标识号。接收端利用这些数值重组为原始消息。
Flags
这个字段表示分段可能性。第 1 位未使用，其值应该为 0。第 2 位称为 DF（Don’t Fragment），表示是否允许分段，0 表示允许，1 表示不允许。第 3 位是 MF（More Fragments），表示是否还有分段正在传输，设置为 0 时表示没有更多分段需要发送，或是数据报根本没有分段。
Fragment Offset
这个 13 位的字段是一个数值，被赋予每个连续的分段。目的设备的 IP 利用这个值以正确的次序重组分段。
Time To Live (TTL)
这个字段表示数据报在被抛弃之前能保留的时间（以秒为单位）或路由器跳数。每个路由器都会检查这个字段，并且至少把它减去 1，或数据报在路由器中延迟的秒数。当这个字段的值为 0 时，数据报会被抛弃。
Protocol
这个 8 位的字段表示接收数据载荷的协议，比如协议标识为 6（二进制位为 00000110）的数据报会被传递到 TCP 模块。下面是一些常见的协议标识值。
| 协议名称 | 协议标识 |
| ICMP | 1 |
| TCP | 6 |
| UDP | 17 |
Header Checksum
这个字段包含 16 位的校验和，只用于检验报头本身的有效性。数据报经过的每个路由器都会对这个值重新进行计算，因为 TTL 字段的值是在不断变化的。
Source IP Address
这个 32 位的字段包含了数据报的源 IP 地址。
Destination IP Address
这个 32 位的字段包含了数据报的目的 IP 地址。目的 IP 根据这个值检验发送的正确性。
IP Options
这个字段支持一些可选的报头设置，主要用于测试、调试和安全的目的。这些选项包括严格源路由（数据报必须经过指定的路由）、网际时间戳（经过美国路由器的时间戳记录）和安全限制。
Padding
IP 选项字段的长度不是固定的。填充字段可以提供一些额外的 0，从而保证整个报头的长度是 32 位的整倍数（报头长度必须是 32 位字的整数倍，因为 IHLL 字段以 32 位字为单位表示报头的长度）。
IP Data Payload
这个字段用于保存传递给 TCP 或 UDP（在传输层中）、ICMP 或 IGMP 的数据。数据块的长度不定，可以包含数千字节。