O Bitcoin usa uma arquitetura de rede P2P (peer-to-peer) baseada na Internet, o que significa que cada computador na mesma rede é igual entre si, e cada nó fornece serviços de rede em conjunto sem quaisquer nós "especiais". Cada nó da rede está conectado uns aos outros em uma topologia "plana". Não existe servidor, serviço centralizado ou hierarquia em uma rede P2P: cada nó fornece serviços ao mundo exterior enquanto usa os serviços fornecidos por outros nós na rede; portanto, redes P2P são confiáveis, descentralizadas e abertas. A Internet primitiva é um caso de uso típico da arquitetura de rede P2P: os nós na rede IP são completamente iguais. A arquitetura da Internet atual 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 foi pioneiro nessa área, e o BitTorrent é a evolução mais recente 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 angular dessa característica central. O controle descentralizado é um princípio de projeto fundamental, e só pode ser alcançado mantendo uma rede de consenso P2P plana e descentralizada.
A "Rede Bitcoin" é um conjunto 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 bitcoin leves ou móveis. Servidores de roteamento 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 entre o protocolo Stratum e o protocolo P2P do Bitcoin. Usamos o termo "rede bitcoin estendida" para nos referirmos à estrutura de rede geral que contém o protocolo P2P do Bitcoin, o protocolo de mineração de pools, o protocolo Stratum e outros protocolos relacionados à conexão dos componentes do sistema Bitcoin.