Aby procesor mógł być traktowany jako 64–bitowy, musi mieć odpowiednią architekturę. Wprawdzie od czasu wprowadzenia procesora i486DX niektóre rejestry były nawet 80-bitowe, nie czyniło to jednak z procesora układu 80–bitowego. Rejestry te były dostępne tylko dla koprocesora (►► FPU), zaś rejestry ogólnego przeznaczenia oraz jednostka arytmetyczno–logiczna ALU pozostały 32-bitowe. W czasach Pentium wprowadzono 64-bitową szynę danych, jednak w dalszym ciągu był to procesor całkowicie 32-bitowy Dwukrotnie szersza szyna danych miała na celu szybsze przesłanie informacji z pamięci operacyjnej do podręcznej i odwrotnie. Nie wpływała jednak na możliwość jednoczesnej obróbki odpowiedniej porcji danych.
64-bitowe CPU musi zawierać wszystkie rejestry zdolne do pomieszczenia odpowiedniej porcji informacji. Przede wszystkim jednostka ALU musi być tak skonstruowana, by mogła przetwarzać 64-bitowe dane w tym samym takcie. Dostępne są bowiem algorytmy, dzięki którym można prowadzić obliczenia z większymi porcjami informacji, niż pozwala na to ALU. Jednak te algorytmy są dość złożone, a ich wykonanie zabiera znacznie więcej czasu