主要工作在应用层，又称为应用层防火墙。它检查进出的数据包，通过自身复制传递数据，防止在受信主机与非受信主机间直接建立联系。应用层网关能够理解应用层上的协议，能够做复杂的访问控制，并做精细的注册和审核。
基本工作过程是：当客户机需要使用服务器上的数据时，首先将数据请求发给代理服务器，代理服务器再根据这一请求向服务器索取数据，然后再由代理服务器将数据传输给客户机。常用的应用层网关已有相应的代理服务软件，如HTTP、SMTP、FTP、Telnet等，但是对于新开发的应用，尚没有相应的代理服务，它们将通过网络层防火墙和一般的代理服务。
优点：应用层网关有较好的访问控制能力，是目前最安全的防火墙技术。能够提供内容过滤、用户认证、页面缓存和NAT等功能。但实现麻烦，有的应用层网关缺乏“透明度”。
缺点：应用层网关每一种协议需要相应的代理软件，使用时工作量大，效率明显不如网络层防火墙。