NAT presenta algunas desventajas. El hecho de que los hosts en Internet parezcan comunicarse de forma directa con el dispositivo con NAT habilitada, en lugar de hacerlo con el host real dentro de la red privada, genera una serie de inconvenientes.
Una desventaja del uso de NAT se relaciona con el rendimiento de la red, en especial, en el caso de los protocolos en tiempo real como VoIP. NAT aumenta los retrasos de switching porque la traducción de cada dirección IPv4 dentro de los encabezados del paquete lleva tiempo. Al primer paquete se aplica el switching de procesos; esto siempre se realiza por la ruta más lenta. El router debe revisar todos los paquetes para decidir si necesitan traducción. El router debe modificar el encabezado de IPv4 y, posiblemente, el encabezado TCP o UDP. El checksum del encabezado de IPv4, junto con el checksum de TCP o UDP, se debe volver a calcular cada vez que se realiza una traducción. Si existe una entrada de caché, el resto de los paquetes atraviesan la ruta de switching rápido; de lo contrario, también se demoran.
Otra desventaja del uso de NAT es que se pierde el direccionamiento de extremo a extremo. Muchos protocolos y aplicaciones de Internet dependen del direccionamiento de extremo a extremo desde el origen hasta el destino. Algunas aplicaciones no funcionan con NAT. Por ejemplo, algunas aplicaciones de seguridad, como las firmas digitales, fallan porque la dirección IPv4 de origen cambia antes de llegar a destino. Las aplicaciones que utilizan direcciones físicas, en lugar de un nombre de dominio calificado, no llegan a los destinos que se traducen a través del router NAT. En ocasiones, este problema se puede evitar al implementar las asignaciones de NAT estática.
También se reduce el seguimiento IPv4 de extremo a extremo. El seguimiento de los paquetes que pasan por varios cambios de dirección a través de varios saltos de NAT se torna mucho más difícil y, en consecuencia, dificulta la resolución de problemas.
El uso de NAT también genera complicaciones para los protocolos de tunneling como IPsec, ya que NAT modifica los valores en los encabezados que interfieren en las verificaciones de integridad que realizan IPsec y otros protocolos de tunneling.
Los servicios que requieren que se inicie una conexión TCP desde la red externa, o “protocolos sin estado”, como los servicios que utilizan UDP, pueden interrumpirse. A menos que el router NAT esté configurado para admitir dichos protocolos, los paquetes entrantes no pueden llegar a su destino. Algunos protocolos pueden admitir una instancia de NAT entre los hosts participantes (por ejemplo, FTP de modo pasivo), pero fallan cuando NAT separa a ambos sistemas de Internet.