Основным компонентом любого процессора является ядро. На нем лежат все функции исполнения команд и обработки данных, полученных из оперативной памяти. Ядро процессора является сложнейшим компонентом, но в его структуре можно выделить несколько самостоятельных блоков, таких как устройства выборки и хранения, блоки предсказания переходов, декодирования и исполнения команд.

Компоненты ядра процессора, отвечающие за полный цикл выборки и исполнения команд, для повышения общего быстродействия объединяются в конвейеры. Современные процессоры обычно имеют несколько конвейеров.

Большинство операций с данными в процессоре производится на арифметико-логическом устройстве. Сами данные (как исходные, так и результирующие) при этом хранятся в блоке регистров. Существуют регистры общего назначения, предназначенные в основном для арифметических операций, сегментные регистры, участвующие в адресации, а также специальные регистры, влияющие на работу процессора.

В качестве отдельной части вычислительного ядра процессора можно выделить математический сопроцессор. Это компонент, специально предназначенный для ускорения обработки вещественных чисел. Изначально сопроцессор существовал в виде отдельного модуля, но сегодня он повсеместно интегрирован в ядро.

Важной составляющей современных процессоров является блок предсказания переходов. Он позволяет начать декодирование последовательности команд на одном из конвейеров еще до того, как будет выполнена команда перехода на другом. Внедрение данной технологии позволило существенно повысить быстродействие.

Практически все современные процессоры содержат некоторый объем кэш-памяти. Кэш служит для минимизации числа обращений к ОЗУ, которые, по сравнению со скоростью обработки данных внутри процессора, происходят крайне медленно. Обычно кэш разделен на несколько уровней. Кеш первого уровня - самый быстрый, но и самый малый по объему. Он располагается на одном кристалле с ядром. Кеши более высоких уровней вмещают больше данных, но более медленные.