64ビット
64ビットプロセッサは、1960年代から一部のスーパーコンピュータで使われており、1990年代初期からRISCベースのワークステーションやサーバで使われてきた。2003年には、x86-64と64ビットPowerPCプロセッサが登場し、それまで32ビットが主流だったパーソナルコンピュータ市場でも64ビットCPUが使われるようになった。
他のビット数のプロセッサと同様に、プロセッサ内部のビット数と、プロセッサ外部のデータバスやアドレスバスのビット幅は、異なる場合がある。通常、オペレーティングシステム (OS) を含めてソフトウェアの観点では内部（論理）、物理配線などの観点では外部（物理）が重要である。
例えばPentium Proは、プロセッサ内部は32ビットだが、外部アドレスバスは36ビット幅、外部データバスは 64ビット幅で、浮動小数点ユニットは80ビットである。また一部の16ビットプロセッサ（例えばMC68000）は、外部バスは16ビットだが、内部は一部32ビットの能力があることから、16/32ビットプロセッサなどと呼ばれていた。他にも、コンピュータの命令セットにおける命令のサイズや、何らかのデータ（例えば、64ビット倍精度浮動小数点数など）のサイズを指して使われる。
一般には「64ビット」コンピュータ・アーキテクチャと言えば、整数レジスタが64ビット幅で、64ビットの整数データを（内部的にも外部的にも）サポートしていることを意味するが、どの観点のビット数なのかは要注意である。
プロセッサの持つレジスタは一般に3種類に分類される。整数レジスタ、浮動小数点レジスタ、その他のレジスタである。汎用プロセッサは一般に整数レジスタだけがポインタ値（すなわち、メモリ内のデータのアドレス）を格納できる。それ以外のレジスタはポインタ値を格納できたとしても、それを使ってメモリの読み書きはできないので、プロセッサがアクセスできるアドレス空間の大きさは整数レジスタの大きさと密接に関連している。
ほとんど全ての汎用プロセッサには浮動小数点ハードウェアが内蔵されており（例外としてARMと32ビットMIPS実装がある）、64ビットのレジスタにデータを格納する場合もある。例えば、x86アーキテクチャにはx87浮動小数点命令が含まれ、スタック構成の80ビットレジスタ8本を備えている。x86には後からSSE命令も追加されたが、こちらは8本の128ビットレジスタを使う。一方、64ビットのAlphaは、32本の64ビット整数レジスタに加えて、32本の64ビット浮動小数点レジスタを持つ。
多くのCPUでは、1つの整数レジスタにコンピュータの仮想記憶空間内の任意のデータのアドレス（位置）を格納できるようになっている。従って、仮想記憶空間内のアドレスの総数（コンピュータがワーキングエリアに保持できるデータの総量）は、レジスタの幅で決定される。1960年代の IBM System/360 に始まり、1970年代の DEC VAX ミニコンピュータ、さらに1980年代中頃の80386まで、32ビットが扱いやすいレジスタのサイズという事実上の統一見解が育まれてきた。32ビットレジスタということは、アドレスは 2 個であり、4GiBのRAMにアクセスできる。これらのアーキテクチャが開発された当時、4GiBというメモリサイズは実際に搭載可能なメモリ量を遥かに超えた大きなものであり、アドレス指定の限界として4GiBという値は十分と思われていた。また、別の要因として、40億までの整数を表現できれば、データベースなどのアプリケーションでの物理的な事物の計数にも十分（全てに一意な参照割り当てが可能）と見なされていた。
しかし1990年代初期、メモリの低価格化によって4GiB以上のメモリを実装することが現実味を帯びてきた。また、同時期に特定のアプリケーションで4GiBの仮想空間の制限が邪魔になってきた。それを受けて、いくつかのコンピュータ企業が64ビットアーキテクチャのプロセッサを、当初はスーパーコンピュータやサーバやハイエンドワークステーション向けにリリースし始めた。一般消費者向け製品としては、アップルのMacintoshが2002年にPowerPC 970プロセッサを採用したのを皮切りに、2003年にはx86-64プロセッサがハイエンドのPCに搭載されるようになり、数年かけて徐々にローエンドのPCにまで浸透した。2013年にはApple A7を搭載したiPhone 5sでスマートフォンにも64ビット環境がもたらされた。64ビットアーキテクチャによってメモリの上限は2個のアドレス、すなわち約172億GiB（1680万TiB、16EiB）にまで拡張された。分かりやすく例えると、4MiBのメインメモリが主流だった当時、2という上限は典型的なメモリ構成の約1,000倍であった。一方、2015年11月においては8GiBのメインメモリが典型的であり、2という上限はそれの約25億倍である。
2019年現在、多くの64ビットPCでは、搭載可能な物理メモリ量は理論的なメモリ空間よりも小さく制限されている。これは、現状では16EiBものメモリを必要とするような状況が想定できず、回路量を節約しているためである。例えばアップルのMac Proは最大128GBまでのメモリを物理的に実装可能である。また、オペレーティングシステム側で制限をかけている例もある（例えば64ビット版Windows 7 Professionalでは192GBまで、64ビット版Windows 8 Proでは512GBまで、Windows Server 2012 Standardでは4TBまで、など）。
主な64ビットのプロセッサには以下がある。32ビットから64ビットへのアーキテクチャの変更は根本的な変更であり、特にOSは新しいアーキテクチャの利点を生かすために様々な拡張や変更を必要とする。その他のソフトウェアも新たな機能を使うには移植が必須となる。古いソフトウェアは「ハードウェア互換モード」（64ビットの新しいプロセッサが古い32ビット版の命令セットをサポートしている場合）を使うか、ソフトウェアエミュレータを使うか、64ビットプロセッサ内（あるいはシステム内）に32ビットプロセッサのコア機能を実装することで動作させる（初期のItaniumやプレイステーション2）。64ビットアーキテクチャ向けのOSは、一般に32ビットのアプリケーションもサポートしている。例えば64ビット版Microsoft WindowsではWOW64エミュレーションレイヤーにより32ビットアプリケーションを動作させることができる。
特筆すべき例外としてAS/400がある。AS/400ではソフトウェアはTIMI (Technology Independent Machine Interface) という仮想命令セットを使っており、実行前に内部のソフトウェアが必要に応じてネイティブな機械語コードに変換して実行する。その変換ソフトウェアを新たなアーキテクチャ向けに移植すれば、OSを含めた全ソフトウェアはそのまま新アーキテクチャに移行可能である。これは実際に、IMPIという32/48ビット命令セットから64ビットPowerPCに移行する際に行われた。IMPIとPowerPCの命令セットは全く異なるもので、単なる同一アーキテクチャの32ビット版から64ビット版への移行よりも大きな転換であった。
64ビットアーキテクチャは、デジタルビデオ、科学技術計算、大規模データベースといった大きなデータを扱うアプリケーションでは有利なのは明らかだが、それ以外のアプリケーションについて、64ビットシステムの32ビット互換モードと同一価格帯の32ビットシステムではどちらの性能がよいかについては議論がある。
サンの64ビット版Java仮想マシンは32ビット版よりも立ち上がりが遅い。これは、64ビット版ではJITコンパイラのサーバ版 (C2) しか実装していないためである。JITコンパイラのクライアント版 (C1) が生成するコードの効率は悪いが、コンパイル処理が高速である。
32ビットと64ビットのプロセッサを比較する際に、性能だけが考慮すべき点というわけではない。マルチタスク型アプリケーション、高負荷状態での実行を強いられるアプリケーション、高性能計算向けのクラスタリングなどは、正しくリソースを配備すれば64ビットアーキテクチャの方が適している。このため、IBM、HP、マイクロソフトなどはそういった理由で64ビットのクラスタを広く使用している。
64ビットアーキテクチャの浸透に伴い、従来の32ビットシステムおよび互換レイヤーのサポートが縮小される傾向にある。アップルはWWDC 2018にてmacOS 10.14 Mojaveが32ビットアプリケーションをサポートする最後のmacOSとなることをアナウンスしている。iOSはバージョン11以降で32ビットアプリケーションのサポートを打ち切っている。Microsoft Windows Server 2008 R2以降は32ビット版OSが提供されなくなり、64ビット版OSのみとなっている。NVIDIAは2017年に、AMDは2018年に32ビット版デバイスドライバのサポート終了をアナウンスしている。
4GB以上のメモリを搭載しない限り、64ビットアーキテクチャは32ビットアーキテクチャに比較して何の利点もない、という誤解をしていることが。これは真実ではない。64ビットアーキテクチャでの主な問題点は、32ビットアーキテクチャに比較して同じデータが占めるメモリ領域が大きくなる可能性がある点である（ポインタサイズの増大と、他のデータ型のサイズ増大、境界整列のためのパディングによる）。これによって、同じプログラムであっても必要とするメモリ量が増え、キャッシュ効率が低下する。部分的に32ビットモデルを採用することで対処することもでき、一般にそれなりに効果がある。実際、z/OSではこの方式を採用しており、実行コードは任意個の32ビットアドレス空間に置かれ、データは（オプションで）64ビット空間に配置することもできる。
、多くの商用ソフトウェアは32ビットコードで構築されているため、64ビットアドレス空間や64ビット幅のレジスタの利点を生かしていない（x86の場合、64ビットモードで追加されたレジスタを使っていない）。しかし、フリーソフトウェアやオープンソースのOSは64ビット環境固有の部分を既に何年も前から利用してきた。ただし、あらゆるアプリケーションが64ビットのデータ型やアドレス空間を必要とするわけではなく、アドレス空間やレジスタが大きくなっても良いことがあるわけではない。ただし、x86 では使えるレジスタ数が増えるという固有の利点がある。
32ビットアーキテクチャで書かれたソフトウェアの中には、64ビットの環境向けに用意されていないものもある。特に問題となるのはデバイスドライバの非互換である。ほとんどのソフトウェアは32ビット互換モードで動作可能だが、デバイスドライバはOSとハードウェアの間で動作するプログラムであり、そのようなモードでは動作不可能な場合が多い。、既存のデバイスドライバの64ビット版はほとんど存在せず、64ビットOSを使う際の大きな問題となっている。しかし、2006年以降にリリースされたデバイスでは、徐々に64ビット版ドライバが存在するものが増えている。
デバイスドライバはカーネルと共にカーネルモードで動作する。カーネルは32ビットで動作させ、一般プロセスは64ビットで動作させるということも可能である。そうすると、ユーザーは64ビットのメモリと性能の利点を享受し、同時に既存の32ビットデバイスドライバの互換性を保持することが可能となる（カーネルのオーバーヘッドが若干大きくなる）。macOSはこの方式を採用し、64ビットのプロセスを実行可能にしつつ、32ビットのデバイスドライバをサポートしている。
C言語およびC++では、codice_1型を除く組み込みの整数型（codice_2型、codice_3型やcodice_4型）は、最低限のビット数や大小関係しか規定していない。C99規格およびC++11規格では、codice_5 や codice_6 などビット数を規定した固定幅整数型（およびにて定義される）を追加し、また64ビット以上の値を表現できることが保証されるcodice_7型を追加した。
C言語等で書かれたソフトウェアを32ビットアーキテクチャから64ビットアーキテクチャへ変換することの困難さは様々である。よく言われる問題は、プログラマがしばしば、ポインタとcodice_3あるいはcodice_4が同じ大きさだという前提でコードを書いていることである。つまり、ポインタとcodice_3あるいはcodice_4との型変換で、情報が失われないものと仮定している。これは32ビットから64ビットへの移行期に始まった問題ではなく、16ビットから32ビットへの移行期にも問題を起こしてきた。しかし、32ビットミニコンに始まり、ワークステーションを経て、昨今の高性能パソコンにおける32ビットOSまで、主要な環境が長らくの間、どちらも同じ32ビットであるとしてかまわなかったため、多くのコードが32ビット環境前提で書かれてきた。しかし、64ビット環境ではしばしば、この仮定は真ではない。C/C++では、特にこの種の間違いを犯しやすい。C89とC99の差異も問題を悪化させている。
C/C++での間違いを防ぐには、基本データ型のサイズによって判断する必要があるときは、コンパイル時も実行時もcodice_12で常にサイズを確認するようにすればよい。また、C99のやC++のヘッダにあるcodice_13クラスも役立つ。sizeofはサイズをcharの個数でしか表さないが、limits.hには例えばcodice_3型の最大値codice_15などが定義されている。なお、char型のサイズは標準ではcodice_16マクロで定義されることになっており、その値は実装依存とされている。しかし、DSPをターゲットとするコンパイラ以外では、64ビットはchar型8個であり、char型は8ビット、というのが普通である。
2つのポインタの差を表す場合、に定義されてあるcodice_17型を使う必要がある。int型やlong型を使うのは間違いである。ポインタを整数で表す場合はcodice_18またはcodice_19を使う（C99およびC++11で標準化されたが、コンパイラによってはそれ以前の標準に準拠していても、独自拡張によってこの型を定義していることがある）。
多くの32ビットマシンのプログラミング環境であるILP32データモデルでは、int型、long型、ポインタは全て32ビット幅である。
しかし、64ビットマシンのプログラミング環境では、int型は32ビットのままだが、long型とポインタは64ビット幅のLP64データモデルや、int型も64ビット幅になるILP64データモデルを採用している。しかし、修正の必要がある箇所はほとんどの場合わずかであり、うまく書かれたプログラムは単に再コンパイルするだけで済む。別のデータモデルとしてLLP64がある。これは、codice_7型とポインタだけが64ビット幅になっているもので、int型やlong型は32ビットのままである。codice_7型はどんなプラットフォームでも（32ビット環境でも）常に64ビット幅以上である。
今日では、多くの64ビットコンパイラがLP64モデルを採用している（Solaris、AIX、macOS、z/OS のネイティブコンパイラなど）。マイクロソフトのVisual C++コンパイラはLLP64モデルである。LP64モデルの欠点は、long型の値をint型変数に代入するときにオーバーフローが発生する可能性がある点である。一方、ポインタをlong型にキャストすることが可能である。LLP64モデルは、これとは逆になる。標準に完全準拠したコードでは、どのデータモデルであっても影響はないが、実際には整数型の幅を暗黙のうちに仮定してコードを書いていることが多い。
なお、これらのモデルはコンパイラ毎にどれを採用するかという問題であり、同一OS上でこれらが混在することは可能である。しかし、OSのAPIがどのモデルを選択するかで、そのOSでよく使われるデータモデルが決まる傾向がある。MinGW環境のGCCはLLP64を採用する。
デバイスドライバがどのデータモデルを採用するかも重要な問題である。ドライバはデータ操作にポインタを頻繁に使い、DMAのためにハードウェアに対して特定幅のポインタをロードする必要がある。例えば、32ビットPCIデバイスのドライバは、4GiBを超える位置にあるメモリとの間でDMAを行うことができない（デバイスのDMAレジスタは32ビット幅であるため）。このため、OSがそのドライバに対して要求を行う際にそのような制限を考慮するか、IOMMUを使う必要がある。