La principale différence entre l'IPv6 et l'IPv4 est la taille de l'espace d'adressage : Celui atteint 128 bits (soit théoriquement 256 milliards de milliards de milliards de milliards d'adresses), contre seulement 4 milliards pour l'IPv4, ce qui s'est révélé nettement insuffisant ces dernières années, notamment en Asie.
Cette espace d'adressage énorme permet de simplifier considérablement les tables de routages d'Internet, puisqu'il est possible de hiérarchiser bien mieux les espaces d'adresses. Concrètement, chaque fournisseur d'accès obtient un grand bloc d'adresse, au lieu de plusieurs petits.
En outre, les pays émergeants, qui disposent de peu d'adresses IPv4, ont suffisamment d'adresses IPv6. Historiquement, les États-Unis, ainsi que l'Europe de l'Ouest se sont attribués les plus grosses parts du gâteau des adresses IPv4, ne laissant que trop peu de place à l'Asie.
Cette abondance d'adresses permet également d'anticiper l'apparition de machines « intelligentes » reliées au réseau, et qui auront également besoin d'une adresse IP (au moins les téléphones mobiles 3G et au delà).
Aussi, et surtout, cette abondance d'adresse permet d'assurer que la disponibilité d'une adresse globale unique pour tout système relié à Internet. Par exemple, à domicile, chaque PC d'un réseau local dispose d'une adresse, alors qu'avec l'IPv4, il n'y a qu'une adresse pour toute la maison.
Avec IPv6, il n'est plus nécessaire d'utiliser de fonction NAT sur les routeurs partageant un accès Internet. Ceci devrait permettre de simplifier les échanges d'informations par les protocoles de Peer to Peer, comme semble le prévoir Microsoft.
De plus, il sera également possible d'attribuer plusieurs adresses à une même connexion au réseau. On peut ainsi envisager d'avoir des adresses locales, accessibles uniquement sur le réseau interne pour certains services ne devant pas être accessibles de l'extérieur, et des adresses globales pour accéder à Internet.
Un autre aspect avantageux de l'IPv6 est qu'il est conçu pour minimiser les réglages par l'utilisateur : toute la configuration est gérée sur les routeurs par les administrateurs Réseau. L'utilisateur n'a pas besoin de régler le moindre paramètres pour que son ordinateur parvienne à utiliser le réseau une fois branché.
Il reste, bien sûr, possible de configurer la connexion au réseau manuellement dans les cas où la sécurité et/ou la criticité l'exigent, notamment sur les serveurs.
Une nouveauté intéressante est la possibilité de conserver son adresse IPv6, donc ses connexions au réseau tout en se déplaçant. Cette fonctionnalité devrait devenir très attrayante avec l'expansion des réseaux sans-fil de grande échelle, ou avec l'accès à Internet sur les téléphones portables et autres gadgets.
En pratique, les données destinées à un système machine qui a été déplacé sont automatiquement retransmise vers sa nouvelle position géographique, son nouveau lieu de connexion, à l'échelle planétaire. Pour ce faire, le réseau d'accueil ne nécessite aucune modification. Il faut juste que le routeur du point de départ (celui auquel on est connecté quand on n'est pas en situation de mobilité) implémente les extensions IPv6 pour la mobilité.
Certaines nouveautés introduites, à l'origine, avec l'IPv6 ont été « rétro-portées » pour l'IPv4, afin de ne pas avoir à attendre le déploiement plus ample de l'IPv6.
C'est notamment le cas du chiffrement des données au niveau du réseau, par IPsec, dont le support est quasiment obligatoire sur tout dispositif officiellement compatible avec l'IPv6.
C'est aussi le cas de la diffusion multicast, un à plusieurs (en émettant le flux une seule fois pour toutes les destinations), dont l'usage est systématisé avec IPv6. La notion de broadcast est supprimée, au profit du Multicast, pour éviter de transmettre l'information à des systèmes qu'elle ne concerne pas. En effet, en broadcast, l'information est transmise à tous les systèmes branchés sur le même réseau local.