Bitcoin sử dụng kiến trúc mạng P2P (peer-to-peer) dựa trên Internet, có nghĩa là mọi máy tính trong cùng một mạng đều ngang hàng, và mỗi nút cung cấp dịch vụ mạng cùng nhau mà không có bất kỳ nút "đặc biệt" nào. Mỗi nút mạng được kết nối với nhau theo kiểu "phẳng". Không có máy chủ, dịch vụ tập trung hay hệ thống phân cấp trong mạng P2P: mỗi nút cung cấp dịch vụ cho thế giới bên ngoài trong khi sử dụng các dịch vụ do các nút khác trong mạng cung cấp; do đó, mạng P2P có tính tin cậy, phi tập trung và cởi mở. Internet thời kỳ đầu là một ví dụ điển hình về kiến trúc mạng P2P: các nút trong mạng IP hoàn toàn bình đẳng. Kiến trúc Internet ngày nay có cấu trúc phân cấp, nhưng giao thức IP vẫn giữ nguyên cấu trúc phẳng. Bên ngoài Bitcoin, ứng dụng lớn nhất và thành công nhất của công nghệ P2P là trong lĩnh vực chia sẻ tệp: Napster là người tiên phong trong lĩnh vực này, và BitTorrent là sự phát triển mới nhất của kiến trúc đó.
Kiến trúc mạng P2P mà Bitcoin sử dụng không chỉ đơn thuần là một lựa chọn về cấu trúc. Bitcoin được thiết kế như một hệ thống tiền kỹ thuật số ngang hàng, và kiến trúc mạng của nó vừa phản ánh vừa là nền tảng của đặc điểm cốt lõi đó. Kiểm soát phi tập trung là một nguyên tắc thiết kế cốt lõi, và nó chỉ có thể đạt được bằng cách duy trì một mạng đồng thuận P2P phẳng, phi tập trung.
"Mạng Bitcoin" là một tập hợp các nút hoạt động theo giao thức P2P của Bitcoin. Ngoài giao thức P2P của Bitcoin, mạng Bitcoin còn chứa các giao thức khác. Ví dụ, giao thức Stratum được sử dụng để khai thác và cho ví bitcoin nhẹ hoặc di động. Các máy chủ định tuyến cổng cung cấp các giao thức này, sử dụng giao thức P2P của Bitcoin để truy cập mạng Bitcoin và mở rộng mạng ra nhiều nút chạy các giao thức khác. Ví dụ, máy chủ Stratum kết nối tất cả các nút khai thác Stratum với mạng Bitcoin chính thông qua giao thức Stratum và làm cầu nối giữa giao thức Stratum với giao thức P2P của Bitcoin. Chúng tôi sử dụng thuật ngữ "mạng Bitcoin mở rộng" để chỉ cấu trúc mạng tổng thể chứa giao thức P2P của Bitcoin, giao thức khai thác của nhóm khai thác, giao thức Stratum và các giao thức khác liên quan đến việc kết nối các thành phần của hệ thống Bitcoin.