La méthode de transport d'un datagramme IPv6 entre deux machines directement reliées entre elles par un lien physique est le même que pour IPv4 : le datagramme est tout d'abord routé vers une interface d'émission qui l'encapsule dans une trame (PDU de niveau 2 dans le modèle de référence de l'OSI) ; cette trame est transmise sur le lien vers l'adresse physique de la machine destination (cette adresse sur un lien sera appelée Adresse MAC dans la suite) ; la machine destination reçoit la trame sur son interface, la décapsule et la traite.

Les différences avec IPv4 sont :

• Le code protocole encapsulé de la trame est différent. Par exemple, pour les réseaux à diffusion, le code est 0x86DD alors que pour IPv4 le code est 0x0800. À l'origine, il était prévu de garder le même code et d'assurer l'aiguillage entre IPv4 et IPv6 en utilisant le champ version du paquet. Mais certains équipements ne vérifient pas la valeur de ce champ et auraient eu un comportement incontrôlable en essayant de traiter un paquet IPv6 comme un paquet IPv4.
• Le calcul de l'adresse MAC destination change. Par exemple sur un réseau à diffusion le calcul est fait en IPv4 par le protocole ARP, alors qu'en IPv6 on utilise le protocole de découverte de voisins .
• La taille minimale d'une trame est passée à 1 280 octets; ceci peut forcer certains protocoles à utiliser plusieurs trames par datagramme IPv6.
• Enfin, certains protocoles ont des parties propres à IPv4. Ces parties doivent être modifiés. C'est le cas des protocoles de contrôle et de compression de PPP.