Der Voice over IP Router nutzt die Netzwerkebene des Open System Interconnection Modells, das man auch unter der Kurzbezeichnung OSI Modell kennt. Der Router analysiert die eintreffenden Datenpakete und überstellt sie an die Endgeräte oder Anwendungen, an die sie adressiert worden sind. Dazu werden vorhandene Routingtabellen genutzt, die durch die Einstellungen in der Steuersoftware des Routers beeinflusst oder vorgegeben werden können. Ausgehende Datenpakete werden häufig über eine sogenannte Default Route versendet. Sie führt zu einem übergeordneten Router, der auch ein Server oder ein Internetknoten sein kann. In den Routingtabellen sind deshalb bestimmte Hierarchien hinterlegt, die den verzweigten Strukturen ähneln, die man von der Ordnung der Arbeitsplatzpfade der Computersysteme kennt. Dabei ist jedes Unterverzeichnis ein Router und die Datei ein Endgerät.
Um Voice over IP Datenpakete via Router verschicken zu können, müssen sie ein entsprechendes Format haben. Deshalb werden analoge Signale zuerst in digitale Signale umgewandelt und danach codiert und teilweise sogar noch komprimiert. Das Standardprotokoll, das dabei angewendet wird, ist TCP/IP bzw. alternativ IPX/SPX. In Kombination mit VPN sorgen sie dafür, dass die Daten überall weiter transportiert werden können, egal wie das jeweilige Netz physisch aufgebaut ist und mit welchem Betriebssystem es arbeitet. VPN packt eine Art Kokon um das eigentliche Datenpaket herum, wo aus dem Header nur noch die Prüfsumme, die Größe und die Zieladresse entnommen werden kann.
Im Bereich der Hardwarelösungen für den Voice over IP Router stehen Backbone Router und High End Switche zur Verfügung. Backbone Router sind auf hohe Nutzdatenraten ausgelegt und kommen vor allem an den Übergängen von einem Netz zum nächsten zum Einsatz. Backbone Router verfügen ähnlich wie Server über mehrere Ports, die parallel Daten entgegennehmen und senden können. Der Fachmann bezeichnet dieses Prinzip als Vollduplexverfahren. Vom Aufbau her sind diese Router auf absolute Betriebssicherheit ausgelegt. Die Netzteile speisen zusätzliche Akkus, die den Betrieb auch bei einem Stromausfall aufrecht erhalten können, bis ein verfügbarer Notstromgenerator angesprungen ist. Darüber hinaus wird bei den Backbone Routern für Voice over IP auch großer Wert darauf gelegt, dass der Betrieb durch notwendige Wartungs- und Reparaturarbeiten nicht oder nur minimal eingeschränkt wird. Das bedeutet eine Doppelung der Bauteile und das Vorhalten deutlich größerer Kapazitäten, als tatsächlich benötigt werden.
Die kleinere und für jedermann geeignete Variante des Hardwarerouters sind die DSL Router. Sie vereinigen die Funktion des Modems mit denen von Switch und Router. Diese Bauarten müssen PPPoE und Routing NAT beherrschen, um das komplette Aufgabenspektrum eines klassischen Routers übernehmen zu können. Anderseits jedoch bieten sie gleich noch die Möglichkeit, als Koordinationspunkt für ein internes Netzwerk dienen zu können und modernere Bauarten stellen gleich noch Netzwerktechnologie via Funk zur Verfügung. Eine andere Möglichkeit des Voice over IP Routers sind Softwarelösungen. So besitzen sämtliche Unixsysteme integrierte Routerfunktionen. Deshalb werden sie auch bevorzugt auf Servern eingesetzt, über die auch die netzwerkinterne und netzwerkübergreifende Kommunikation gesteuert wird. Bei anderen Betriebssystemen müssen sie als zusätzliche Module integriert werden. Das Problem der softwarebasierten Router ist, dass sie von außen angreifbar sind. Eine optimierte Kombination aus Firewall und Virenschutz ist hier also unerlässlich.