Tầng Ứng Dụng (Application layer) là ranh giới giữa môi trường nối kết các hệ thống mở và các tiến trình ứng dụng (Application Process - viết tắt là AP). Các AP sử dụng môi trường OSI để trao đổi dữ liệu trong quá trình thực hiện của chúng. Là tầng cao nhất trong mô hình OSI 7 tầng, tầng Ứng dụng có một số đặc điểm khác với các tầng dưới nó. Trước hết, nó không cung cấp các dịch vụ cho một tầng trên như trong trường hợp của các tầng khác. Theo đó, ở tầng Ứng dụng không có khái niệm điểm truy nhập dịch vụ tầng Ứng dụng (tức ASAP).

ISO định nghĩa một AP là "một phần tử ở trong một hệ thống mở thực hiện việc xử lý thông tin cho một ứng dụng cụ thể". Các AP thuộc các hệ thống mở khác nhau muốn trao đổi thông tin phải thông qua tầng Ứng dụng. Tầng Ứng dụng bao gồm các thực thể ứng dụng (Application Entity - viết tắt là AE), các thực thể này dùng các giao thức ứng dụng và các dịch vụ trình diễn để trao đổi thông tin. Như vậy các AE cung cấp cho các AP các phương tiện cần thiết để truy nhập môi trường OSI. Tuy nhiên, tầng Ứng dụng chủ yếu chỉ giải quyết vấn đề ngữ nghĩa chứ không giải quyết vấn đề cú pháp như tầng Trình diễn.