Bitcoin utilise une architecture réseau P2P (pair-à-pair) basée sur Internet, ce qui signifie que chaque ordinateur du même réseau est un pair, et chaque nœud fournit des services réseau ensemble sans aucun nœud "spécial". Chaque nœud du réseau est connecté aux autres dans une topologie "plate". Il n'y a pas de serveur, de service centralisé ou de hiérarchie dans un réseau P2P : chaque nœud fournit des services au monde extérieur tout en utilisant les services fournis par d'autres nœuds du réseau ; les réseaux P2P sont donc fiables, décentralisés et ouverts. Les débuts d'Internet sont un cas d'utilisation typique de l'architecture réseau P2P : les nœuds du réseau IP sont complètement égaux. L'architecture Internet d'aujourd'hui a une structure hiérarchique, mais le protocole IP conserve une topologie plate. En dehors de Bitcoin, l'application la plus importante et la plus réussie de la technologie P2P est dans le domaine du partage de fichiers : Napster est un pionnier dans ce domaine, et BitTorrent est la dernière évolution de son architecture.
L'architecture réseau P2P utilisée par Bitcoin est plus qu'un simple choix de topologie. Bitcoin a été conçu comme un système de monnaie numérique pair-à-pair, et son architecture réseau est à la fois un reflet et une pierre angulaire de cette caractéristique principale. Le contrôle décentralisé est un principe de conception fondamental, et il ne peut être atteint qu'en maintenant un réseau de consensus P2P plat et décentralisé.
Le "réseau Bitcoin" est un ensemble de nœuds qui fonctionnent selon le protocole P2P de Bitcoin. Outre le protocole P2P de Bitcoin, le réseau Bitcoin contient également d'autres protocoles. Par exemple, le protocole Stratum est utilisé pour le minage, et pour les portefeuilles bitcoin légers ou mobiles. Les serveurs de routage passerelle fournissent ces protocoles, utilisent le protocole P2P de Bitcoin pour accéder au réseau Bitcoin et étendent le réseau à divers nœuds exécutant d'autres protocoles. Par exemple, le serveur Stratum connecte tous les nœuds de minage Stratum au réseau Bitcoin principal via le protocole Stratum, et fait le pont entre le protocole Stratum et le protocole P2P de Bitcoin. Nous utilisons le terme "réseau Bitcoin étendu" pour désigner la structure globale du réseau qui contient le protocole P2P de Bitcoin, le protocole de minage de pools de minage, le protocole Stratum et d'autres protocoles liés à la connexion des composants du système Bitcoin.