Nagłówek pakietu IPv6 został zaprojektowany tak, aby był prostszy niż nagłówek IPv4, a celem było ułatwienie bardziej wydajnego przetwarzania w routerach.

Nagłówek IPv6 składa się z 8 stałych pól w porównaniu z 13 możliwymi polami (wraz z opcjami), które może mieć nagłówek IPv4.

Podstawowe pola nagłówka protokołu IPv6 są następujące:

1. Wersja: 4 bity wskazujące wersję protokołu IP, która dla IPv6 jest liczbą 6.
2. Klasa ruchu: 8 bitów używanych do różnicowania ruchu w sieci, podobnie jak pole Typ usługi w IPv4.
3. Etykieta przepływu: 20 bitów używanych do oznaczania sekwencji pakietów wymagających specjalnej obsługi przez routery.
4. Długość ładunku: 16 bitów wskazujących długość ładunku pakietu, czyli wszystko, co następuje po nagłówku IPv6, w oktetach.
5. Następny nagłówek: 8 bitów identyfikujących typ nagłówka bezpośrednio po nagłówku IPv6. Działa podobnie do pola Protokół w IPv4 i służy do wskazania, czy następny nagłówek to TCP, UDP, ICMPv6 itp.
6. Limit przeskoków: 8 bitów określających maksymalną liczbę przeskoków (przebytych routerów), jaką może wykonać pakiet przed odrzuceniem. Jest podobny do pola TTL w IPv4.
7. Adres źródłowy: 128 bitów wskazujących adres IPv6 nadawcy pakietu.
8. Adres przeznaczenia: 128 bitów wskazujących adres IPv6 odbiorcy pakietu.

Pola te są zorganizowane w 40-bajtowym nagłówku. Uproszczenie projektu ma na celu poprawę szybkości przetwarzania w urządzeniach sieciowych, eliminując potrzebę sumowania lub fragmentacji pakietów w routerach pośrednich, co jest obsługiwane na końcach w IPv6.