O Bitcoin utiliza uma arquitetura de rede P2P (peer-to-peer) baseada na Internet, o que significa que cada computador na mesma rede é peer-to-peer, e cada nó fornece serviços de rede juntos sem nenhum nó "especial". Cada nó de rede está conectado a todos os outros em uma topologia "plana". Não há servidor, serviço centralizado ou hierarquia em uma rede P2P: cada nó fornece serviços para o mundo exterior enquanto usa os serviços fornecidos por outros nós na rede; as redes P2P são, portanto, confiáveis, descentralizadas e abertas. O início da Internet é um caso típico de uso da arquitetura de rede P2P: os nós na rede IP são completamente iguais. A arquitetura da Internet de hoje tem uma estrutura hierárquica, mas o protocolo IP mantém uma topologia plana. Fora do Bitcoin, a maior e mais bem-sucedida aplicação da tecnologia P2P está na área de compartilhamento de arquivos: o Napster é um pioneiro nessa área, e o BitTorrent é a última evolução de sua arquitetura.
A arquitetura de rede P2P usada pelo Bitcoin é mais do que simplesmente uma escolha de topologia. O Bitcoin foi projetado como um sistema de dinheiro digital peer-to-peer, e sua arquitetura de rede é tanto um reflexo quanto uma pedra fundamental dessa característica central. O controle descentralizado é um princípio de design central, e só pode ser alcançado mantendo uma rede de consenso P2P plana e descentralizada.
A "Rede Bitcoin" é uma coleção de nós que operam de acordo com o protocolo P2P do Bitcoin. Além do protocolo P2P do Bitcoin, a rede Bitcoin também contém outros protocolos. Por exemplo, o protocolo Stratum é usado para mineração e para carteiras de bitcoin leves ou móveis. Servidores de roteamento de gateway fornecem esses protocolos, usam o protocolo P2P do Bitcoin para acessar a rede Bitcoin e expandem a rede para vários nós que executam outros protocolos. Por exemplo, o servidor Stratum conecta todos os nós de mineração Stratum à rede principal do Bitcoin via o protocolo Stratum e faz a ponte do protocolo Stratum para o protocolo P2P do Bitcoin. Usamos o termo "rede bitcoin estendida" para nos referirmos à estrutura geral da rede que contém o protocolo P2P do Bitcoin, o protocolo de mineração de pool, o protocolo Stratum e outros protocolos relacionados à conexão dos componentes do sistema Bitcoin.