A Pentium 4 működésének és felépítésének főbb jellemzői:

• Az L1 szintű utasításcache helyett egy, az utasítás-dekódoló mögé helyezett 12 Kbájtos Execution Trace Cache tárolót használ a processzor, amely a RISC mikroutasításokat puffereli. (Az L1 adatcache maradt 8 Kbájtos.)

• Az L2 cache 256 Kbájtos és a csipre integrált, 256 bites adatúttal (Advanced Transfer Cache) a processzorhoz;

• Kétszeres sebességű ALU, amely külön 2x-es órajelet használ (Rapid Execution Engine);

• Hiper pipeline: 20 lépéses futószalag;

• Az elágazásbecslés javítása (30 %-kal jobb, mint a P III);

• 7 párhuzamosan működő futószalag: 3 fixpontos, 2 memóriacím-generáló, 2 lebegőpontos (beleértve az SSE/SSE2 és MMX pipeline-t is). Ezzel esetenként 6 utasítás is végrehajtható órajelenként.

• A Pentium 4 processzor 400 MHz-es rendszerbuszra van felkészítve (Quad-Pumped 4x100), ami 3,2 Gbájt/sec átviteli teljesítményt jelent. (Ezt a sebességet viszont jelenleg csak a drága Rambus memóriák tudják hasznosítani.)