Багатоядерний процесор складається з двох і більше «обчислювальних ядер» на одному кристалі. Він має один корпус і встановлюється в один роз'єм на системній платі комп'ютера, але операційна система сприймає кожне його обчислювальне ядро як окремий процесор з повним набором обчислювальних ресурсів.

Така стратегія за принципом «розділяй і володарюй» (паралелізм на рівні процесів і нитей) відчутно збільшує продуктивність багатозадачної роботи на оптимізованому під таку роботу програмному забезпеченні, бо кілька застосунків зможе працювати дійсно паралельно.

У всіх^{[джерело?]} багатоядерних процесорах кеш-пам'ять першого рівня у кожного ядра своя, а кеш 2-го рівня існує в кількох варіантах:

• поділюваних — кеш розташований на одному з обома ядрами кристалі і доступний кожному з них у повному обсязі. Використовується в процесорах сімейств Intel Core.
• індивідуальний — окремі кеші рівного обсягу, інтегровані в кожне з ядер. Обмін даними з кешей L2 між ядрами здійснюється через контролер пам'яті — інтегрований (Athlon 64 X2) або зовнішній (Pentium D).

У застосунках, оптимізованих під паралельне виконання, спостерігається приріст продуктивності на двоядерних процесорах. Однак, якщо програма не оптимізована, то воно не буде отримувати практично ніякої вигоди від додаткових ядер, а може навіть виконуватися повільніше, ніж на процесорі з меншою кількістю ядер, але більшою тактовою частотою. Це в основному старі програми, або програми, яким багатозадачність не потрібна (наприклад, програвач музики) або неможлива.

Основні виробники процесорів — Intel і AMD — визнали подальше збільшення числа ядер процесорів як один з пріоритетних напрямів збільшення продуктивності.^{[джерело?]} Компанією AMD вже освоєно виробництво 8-ядерних процесорів для домашніх комп'ютерів, а також 16-ядерних в серверних системах. Intel у цьому показнику дещо відстає — освоєно виробництво 6- та 10-ядерних відповідно, але кожен з них отримує по 2 потоки команд, тобто віртуально їх вдвічі більше (Hyper-Threading), що насправді дає лише 10-15 % приросту швидкодії.

Є також тенденція впровадження багатоядерних контролерів в мобільні пристрої.

Наприклад

• seaForth-24 — нова розробка multi-Core MISC архітектури Chuck Moore 1ГГц 24-х ядерний асинхронний контролер.
• Контролер від Parallax^[1] має вісім 32-розрядних процесорів (COG) в одному кристалі P8X32A.
• Kilocore PowerPC процесор з 1024 8-ми бітними ядрами які працюють на частоті 125МГц.

• Многоядерность RISC-процессоров [Архівовано 18 грудня 2010 у Wayback Machine.]
• Двухъядерные процессоры Intel и AMD: теория, часть 1 [Архівовано 20 серпня 2010 у Wayback Machine.]
• Двухъядерные процессоры Intel и AMD: теория, часть 2 [Архівовано 25 серпня 2010 у Wayback Machine.]

• Багатоядерні процесори: мікроархітектура та особливості застосування : навч. посіб. для студ. вищ. навч. закл., які навчаються за напрямами підготов. 050801 "Мікро- та наноелектроніка" і 050101 "Комп'ют. науки" / М. М. Берченко, І. Б. Березовська ; М-во освіти і науки, молоді та спорту України, Терноп. нац. техн. ун-т ім. І. Пулюя. – Т. : Вид-во ТНТУ, 2011. – 216 с. : іл. – Бібліогр. в кінці розділів. – ISBN 978-966-397-118-6