防火牆能夠工作在三種模式下：路由模式、透明模式、混合模式。如果防火牆以第三層對外連接（接口具有IP 地址），則認爲防火牆工作在路由模式下；若防火牆通過第二層對外連接（接口無IP 地址），則防火牆工作在透明模式下；若防火牆同時具有工作在路由模式和透明模式的接口（某些接口具有IP 地址，某些接口無IP 地址），則防火牆工作在混合模式下。
一、防火牆三種工作模式的簡介
1、路由模式
當防火牆位於內部網絡和外部網絡之間時，需要將防火牆與內部網絡、外部網絡以及DMZ 三個區域相連的接口分別配置成不同網段的IP 地址，重新規劃原有的網絡拓撲，此時相當於一臺路由器。如下圖所示，防火牆的Trust區域接口與公司內部網絡相連，Untrust 區域接口與外部網絡相連。值得注意的是，Trust 區域接口和Untrust 區域接口分別處於兩個不同的子網中。
採用路由模式時，可以完成ACL 包過濾、ASPF 動態過濾、NAT 轉換等功能。然而，路由模式需要對網絡拓撲進行修改（內部網絡用戶需要更改網關、路由器需要更改路由配置等），這是一件相當費事的工作，因此在使用該模式時需權衡利弊。
2. 透明模式
如果防火牆採用透明模式進行工作，則可以避免改變拓撲結構造成的麻煩，此時防火牆對於子網用戶和路由器來說是完全透明的。也就是說，用戶完全感覺不到防火牆的存在。
採用透明模式時，只需在網絡中像放置網橋（bridge）一樣插入該防火牆設備即可，無需修改任何已有的配置。與路由模式相同，IP 報文同樣經過相關的過濾檢查（但是IP 報文中的源或目的地址不會改變），內部網絡用戶依舊受到防火牆的保護。防火牆透明模式的典型組網方式如下：
如上圖所示，防火牆的Trust 區域接口與公司內部網絡相連，Untrust 區域接口與外部網絡相連，需要注意的是內部網絡和外部網絡必須處於同一個子網。
3. 混合模式
如果防火牆既存在工作在路由模式的接口（接口具有IP 地址），又存在工作在透明模式的接口（接口無IP 地址），則防火牆工作在混合模式下。混合模式主要用於透明模式作雙機備份的情況，此時啓動VRRP（Virtual Router Redundancy Protocol，虛擬路由冗餘協議）功能的接口需要配置IP 地址，其它接口不配置IP地址。防火牆混合模式的典型組網方式如下：
如上圖所示，主/備 防火牆的Trust 區域接口與公司內部網絡相連，Untrust區域接口與外部網絡相連，主/備防火牆之間通過HUB 或LAN Switch 實現互相連接，並運行VRRP 協議進行備份。需要注意的是內部網絡和外部網絡必須處於同一個子網。
二、防火牆三種模式的工作過程
1、路由模式工作過程
防火牆工作在路由模式下，此時所有接口都配置IP 地址，各接口所在的安全區域是三層區域，不同三層區域相關的接口連接的外部用戶屬於不同的子網。當報文在三層區域的接口間進行轉發時，根據報文的IP 地址來查找路由表，此時 防火牆表現爲一個路由器。但是， 防火牆與路由器存在不同， 防火牆中IP 報文還需要送到上層進行相關過濾等處理，通過檢查會話表或ACL 規則以確定是否允許該報文通過。此外，還要完成其它防攻擊檢查。路由模式的防火牆支持ACL 規則檢查、ASPF 狀態過濾、防攻擊檢查、流量監控等功能。
2、透明模式工作過程
防火牆工作在透明模式（也可以稱爲橋模式）下，此時所有接口都不能配置IP 地址，接口所在的安全區域是二層區域，和二層區域相關接口連接的外部用戶同屬一個子網。當報文在二層區域的接口間進行轉發時，需要根據報文的MAC 地址來尋找出接口，此時防火牆表現爲一個透明網橋。但是，防火牆與網橋存在不同，防火牆中IP 報文還需要送到上層進行相關過濾等處理，通過檢查會話表或ACL 規則以確定是否允許該報文通過。此外，還要完成其它防攻擊檢查。透明模式的防火牆支持ACL 規則檢查、ASPF 狀態過濾、防攻擊檢查、流量監控等功能。工作在透明模式下的 防火牆在數據鏈路層連接局域網（LAN），網絡終端用戶無需爲連接網絡而對設備進行特別配置，就像LAN Switch 進行網絡連接。
3、混合模式工作過程
防火牆工作在混合透明模式下，此時部分接口配置IP 地址，部分接口不能配置IP 地址。配置IP 地址的接口所在的安全區域是三層區域，接口上啓動VRRP功能，用於雙機熱備份；而未配置IP 地址的接口所在的安全區域是二層區域，和二層區域相關接口連接的外部用戶同屬一個子網。當報文在二層區域的接口間進行轉發時，轉發過程與透明模式的工作過程完全相同。