Bitcoin utiliza una arquitectura de red P2P (peer-to-peer) basada en Internet, lo que significa que cada computadora en la misma red es peer-to-peer, y cada nodo proporciona servicios de red conjuntamente sin ningún nodo "especial". Cada nodo de red está conectado entre sí en una topología "plana". No hay servidor, servicio centralizado ni jerarquía en una red P2P: cada nodo proporciona servicios al mundo exterior mientras utiliza los servicios proporcionados por otros nodos de la red; las redes P2P son, por lo tanto, confiables, descentralizadas y abiertas. Los inicios de Internet son un caso de uso típico de la arquitectura de red P2P: los nodos en la red IP son completamente iguales. La arquitectura de Internet actual tiene una estructura jerárquica, pero el protocolo IP conserva una topología plana. Fuera de Bitcoin, la aplicación más grande y exitosa de la tecnología P2P se encuentra en el área de intercambio de archivos: Napster es un pionero en esta área, y BitTorrent es la última evolución de su arquitectura.
La arquitectura de red P2P utilizada por Bitcoin es más que una simple elección de topología. Bitcoin fue diseñado como un sistema de efectivo digital peer-to-peer, y su arquitectura de red es tanto un reflejo como una piedra angular de esa característica principal. El control descentralizado es un principio de diseño central, y solo se puede lograr manteniendo una red de consenso P2P plana y descentralizada.
La "Red Bitcoin" es una colección de nodos que operan de acuerdo con el protocolo P2P de Bitcoin. Además del protocolo P2P de Bitcoin, la red Bitcoin también contiene otros protocolos. Por ejemplo, el protocolo Stratum se utiliza para la minería, y para billeteras de bitcoin ligeras o móviles. Los servidores de enrutamiento de puerta de enlace proporcionan estos protocolos, utilizan el protocolo P2P de Bitcoin para acceder a la red Bitcoin y amplían la red a varios nodos que ejecutan otros protocolos. Por ejemplo, el servidor Stratum conecta todos los nodos de minería Stratum a la red Bitcoin principal a través del protocolo Stratum, y actúa como puente entre el protocolo Stratum y el protocolo P2P de Bitcoin. Usamos el término "red extendida de Bitcoin" para referirnos a la estructura general de la red que contiene el protocolo P2P de Bitcoin, el protocolo de minería de pools de minería, el protocolo Stratum y otros protocolos relacionados con la conexión de componentes del sistema Bitcoin.