Athlon 64 kan beskrives som en Athlon XP med turbo i form av støtte for 64-bits instruksjoner, integrert minnekontroller, større L2-cache og støtte for SSE2-instruksjonssettet. Fra AMDs side ble det gjort mye ut av at Athlon 64 er den første 64-bits x86-prosessor, og dermed kompatibel med vanlige forbrukerversjoner av Windows, selv om Windows på dette tidspunktet ikke var basert på 64-bit-teknologi.