Протокол L2TP является версией протокола инкапсуляции IP. При передаче данных по туннелю L2TP кадр L2TP помещается в пакет UDP, который, в свою очередь, помещается в пакет IP. В качестве адресов отправителя и получателя этого пакета указываются конечные точки соединения. Для защиты составного пакета IP могут применяться протоколы IPSec. С их помощью можно обеспечить защиту данных, передаваемых по туннелю L2TP. При работе с таким соединением можно напрямую применять протоколы AH, ESP и IKE.

Инкапсуляция пакетов L2TP/IPSec выполняется в два этапа.

1. Инкапсуляция L2TP - кадр PPP (IP-датаграмма или IPX-датаграмма) заключается в оболочку с заголовком L2TP и заголовком UDP.
   
2. Инкапсуляция IPSec - затем полученное L2TP-сообщение заключается в оболочку с заголовком и трейлером IPSec ESP (Encapsulating Security Payload), трейлером проверки подлинности IPSec, обеспечивающим целостность сообщения и проверку подлинности, и заголовком IP. В заголовке источник и приемник соответствуют VPN-клиенту и VPN-серверу.