每台主机都设有一个ARP高速缓存（ARP cache），里面有本局域网上各主机和路由器的IP地址和硬件地址的映射表，这些都是该主机目前知道的一些地址。
当主机A要向本局域网上的某个主机B发送IP数据报时，先在其ARP高速缓存中查看是否有主机B的IP地 址。如果有，就在ARP高速缓存中查出其对应的硬件地址，再把这个硬件地址写入MAC帧，然后通过局域网把该MAC帧发往此硬件地址。也有可能查不到主机 B的IP地址的项目。这可能是主机B才入网，也可能是主机A刚刚加电，其高速缓存还是空的。在这种情况下，主机A就自动运行ARP，然后按以下步骤找到主 机B的硬件地址。
实现地址解析的第一步是产生ARP请求帧。在ARP帧数据部分的相应字段写入本地主机的物理地址、IP地址、待侦测的目的IP地址，在目的物理地址字段写入0，并在操作类型字段写入1，用以表示本数据帧是一个ARP请求数据帧。
该ARP请求帧以本地网络适配器的物理地址作为源地址，以物理广播地址（FF-FF-FF-FF-FF-FF）作为目的地址，通过物理层发送出去。
由于采用了广播地址，因此网段内所有的主机或设备都能够接收到该数据帧。除了目的主机外，所有接收到该ARP请求帧的主机和设备都会丢弃该ARP请求帧，因为目的主机能够识别ARP消息中的IP地址是否与本机相同。
与目的IP地址匹配的主机构造ARP应答帧。在ARP应答帧中，以请求分组中源物理地址、源IP地址作为其目的物 理地址、目的IP地址，并将自身的物理地址、IP地址填入应答帧的源物理地址、源IP地址字段，并在操作字段中写入2，表示本ARP数据帧是一个应答数据 帧。该分组通过数据链路层直接发给源主机。
源主机接收到ARP应答帧后，获得目的主机的物理地址，并将它作为一条新记录加入到ARP高速缓存表。
此外，如果源主机没有发送ARP请求而收到其他主机的ARP响应数据帧，源主机也会在本地ARP缓冲区中缓存该主机物理地址和IP地址的对应关系。
ARP高速缓存是非常有用的。如果不使用ARP高速缓存，那么任何一个主机只要进行一次通信，就必须在网络上用广播的方式发送ARP请求分组，这会使网络上的通信量大大增加。ARP把保存在高速缓存中的每一个映射地址项目都设置生存时间，超过生存时间的项目就从高速缓存中删除掉。
注意：ARP是解决同一个局域网上的主机或路由器的IP地址和硬件地址的映射问题。