IPv4協議是目前廣泛部署的互聯網協議。在互聯網發展初期，IPv4以其協議簡單、易於實現、互操作性好的優勢而得到快速的發展。但隨著互聯網的迅猛發展，IPv4 的不足也日益凸顯，例如地址空間不足、處理報文頭及報文選項的復雜度高、地址維護工作量大、路由聚合效率低、對安全/QoS/移動性等問題缺乏有效的解決方案等。
IPv6的出現有針對性地解決了IPv4 的壹些問題。在地址空間方面，IPv4地址采用32bit標識，理論上能夠提供的地址數量約為43億個。另外，IPv4 地址的分配也很不均衡，美國擁有的IPv4地址占全球地址空間的壹半左右，歐洲則相對匱乏，亞太地區則更加匱乏。
與此同時，移動IP和寬帶技術的發展需要更多的IP地址。目前IPv4地址已經消耗殆盡。針對IPv4地址短缺的問題，也曾先後出現過幾種解決方案。比較有代表性的是CIDR和NAT。但是CIDR和NAT都有各自的缺點和不能解決的問題，由此推動了IPv6的發展。IPv6地址采用128 bit標識。128 bit的地址空間使IPv6理論上可以擁有約（43億x43億x43億x43億）個地址。近乎無限的地址空間是IPv6最大的優勢。
在報文處理方面，IPv4 報文頭包含Options（可選字段），內容涉及Security、Timestamp和Record Route等，這些Options可以將IPv4報文頭長度從20 Byte擴充到60Byte。轉發攜帶這些Options的IPv4報文往往需要中間路由轉發設備通過軟件處理，會產生很大的性能開銷，因此實際中也很少使用。
IPv6和IPv4相比，報文頭去除了Internet Header Length、Identifier、Flag、Fragment Offset、Header Checksum、Options 和Padding字段，只增加了流標簽字段，因此IPv6相比IPv4極大地簡化了對報文頭的處理，提高了處理效率。另外，IPv6為了更好支持處理各種選項，提出了擴展報文頭的概念，新增選項時不必修改IPv6報文頭的結構，理論上可以擴展出無限多種選項，體現了優異的可擴展性。
在地址維護方面，由於IPv4地址只有32 bit, 並且地址分配不均衡，導致在網絡擴容或重新部署時，經常需要重新分配IP地址，因此需要壹種能夠對IP地址進行自動配置和重新編址的機制，以減少維護工作量。目前IPv4的自動配置和重新編址機制主要依靠DHCP。IPv6協議內置了通過地址自動配置方式使主機自動發現網絡並獲取IPv6地址的機制，大大提高了內部網絡的可管理性。
在路由聚合方面，由於IPv4發展初期的地址分配規劃問題，造成許多已分配的IPv4地址不連續，不能有效聚合路由。日益龐大的路由表耗用大量內存，對設備容量和轉發效率產生影響，這壹問題促使設備制造商不斷升級其產品，以提高路由尋址和轉發性能。IPv6 巨大的地址空間使得IPv6可以方便地進行層次化網絡部署。層次化的網絡結構使路由聚合更為容易，提高了路由轉發的效率。
在端到端安全方面，在制定IPv4協議時，缺乏針對安全性的系統設計，因此固有的框架結構並不能支持端到端的安全。IPv6中，網絡層支持IPsec的認證和加密，支持端到端的安全。
在保障QoS方面，隨著網絡會議、網絡電話、網絡電視的迅速普及與使用，客戶要求有更好的QoS來保障音視頻業務實時轉發，但IPv4並沒有專門的手段保障QoS。IPv6新增了流標記字段，可以用於保障QoS。
在對移動性的支持方面，移動IPv4存在壹些問題，例如三角路由、源地址過濾等。IPv6協議規定其必須支持移動性。與移動IPv4相比，移動IPv6使用鄰居發現功能可直接發現外部網絡並得到轉交地址，而不必使用外部代理。同時，利用路由擴展報文頭和目的選項擴展報文頭，移動節點和對等節點之間可以直接通信，解決了移動IPv4三角路由、源地址過濾問題，使得移動通信處理效率更高，且對應用層透明。