A Pentium 4 processzor első változatát Willamette néven az Intel 1,4 és 1,5 GHz órajel-frekvenciával 2000 novemberében dobta piacra. Az új hetedik generációs, 42 millió tranzisztort tartalmazó processzorral az Intel - még megmaradva a 32 bites keretek között - a 3D grafika (renderelés) és MPEG kódolás/dekódolás, a beszédfelismerés és rejtjelezés felgyorsítását tűzte ki célul.

A Pentium 4 Willamette nevű magja 0,18 mikronos gyártástechnológiával készült, foglalata Socket 423 típusú (az 1,9 és 2,0 GHz-es változatok 2001 nyarától Socket 478-as foglalattal készülnek).

Utasításkészlete tovább bővült 144 (76 SIMD és 68 fixpontos) utasítással (a PIII SSE utasításkészletének a továbbfejlesztése). Ezt SSE2-nek (Streaming SIMD Extension2) vagy WPNI-nek (Willamette Processor New Instructions) nevezik.

Ennek néhány fontosabb jellemzője: lehetővé teszi az XMM0-7 regiszterekben a 2x64 bites duplapontosságú lebegőpontos számok feldolgozását; az MMX pipeline az XMM regiszterekkel működik, és így lehetőség van 2x64 illetve 128 bites fixpontos számok feldolgozására is (Ez például a rejtjelezési algoritmusok miatt is fontos.)