Die OSI-Protokolle sind herstellerneutrale Protokolle, die die einzelnen Schichten des OSI-Referenzmodells funktional unterstützen. In der Anfangsphase, nach der Standardisierung des Referenzmodells im Jahre 1983, wurden einige Protokolle für die Transportschicht, die Kommunikationssteuerungsschicht und die Anwendungsschicht vorgestellt. Danach wurden regelmäßig neue Protokolle und Dienste entwickelt, die allerdings die notwendige Marktakzeptanz vermissen lassen. Das liegt häufig an den langen Entwicklungszeiten, in denen sehr oft Hersteller-Entwicklungen zu Quasi-Standards wurden.
Die Bitübertragungsschicht wird von den OSI-Protokollen in allen erdenklichen Mechanismen, vom einfachen Modem bis zum 2 Gbit/s Crossconnect-Switch unterstützt. Die Protokolle der Sicherungsschicht unterstützen alle Zugangsverfahren, von High Level Data Link Control (HDLC), Logical Link Control (LLC), CSMA/CD, Token Bus und Token Ring bis FDDI.
Die Vermittlungsschicht stellt das Routing zur Verfügung und ermöglicht den Aufbau logisch strukturierter Netzwerke. Die Vermittlungsschicht ist bei den OSI-Protokollen zweigeteilt zur Unterstützung verbindungsloser und verbindungsorientierter Dienste. Als Routing-Protokolle sind End System to Intermediate System (ES-IS) und Intermediate System to Intermediate System (IS-IS) zu nennen. Die Transportschicht sorgt für eine transparente Verbindung zwischen den Endsystemen. Der entsprechende Dienst steht in verbindungsloser oder verbindungsorientierter Form zur Verfügung. Die OSI-Transportprotokolle (OSI-TP) bieten unterschiedliche Transportklassen und Dienstgüten. Insgesamt stehen fünf Transportklassen zur Auswahl. OSI 8073 ist ein verbindungsorientiertes Transportptotokoll, das in der Digital Network Architecture (DNA) eingesetzt wird.
Die Kommunikationssteuerungsschicht ist protokollmäßig zweigeteilt für verbindungslose und verbindungsorientierte Dienste. OSI 8327 ist ein Protokoll der Sitzungsschicht, das in der Digital Network Architecture (DNA) eingesetzt wird. Die Darstellungsschicht benutzt als Codier- bzw. Decodiersprache Abstract Syntax Notation One (ASN.1).
Für die Anwendungsschicht werden anwendungsspezifische Protokolle bereitgestellt. Die bekanntesten aus einer Vielzahl sind File Transfer Access and Management (FTAM), X.400, X.500, Virtual Terminal Service (VTS), Common Management Information Protocol (CMIP) und Common Management Information Service (CMIS).