OS 65C02’nin 16-bit yükseltmesi olan CMOS 65816’yı üretti. 65816 16-bit mikroişlemcisi, Apple IIgs’nin ve daha sonra da Super Nintendo Eğlence Sistemi’nin çekirdeğini oluşturdu. Bu, 65816’yı tüm zamanların en popüler 16-bit tasarımlarından biri yaptı.

Intel değişik bir yol izledi. Emüle edecek bir minibilgisayar olmadan 8080 tasarımlarını geliştirerek 16-bit Intel 8086’yı, modern PC tip bilgisayarların çoğunda bulunan x86 ailesinin ilk üyesini, üretti. İlk IBM kişisel bilgisayarı, model 5150’de kullanılan 8088 mikroişlemcisi, 8086’nın harici bir 8-bit data bus a sahip versiyonuydu. 8086 ve 8088 sonrasında Intel 80186, 80286 ve 1985’de 32-bit 80386’yı üretti ve işlemci ailelerinin geriye uyumluluğuyla; PC piyasasındaki egemenliğini sağlamlaştırdı.

Gömülü mikroişlemci bellek yönetim birimi (the integrated microprocessor memory management unit) (MMU), Intel’de Childs et al. tarafından ortaya atıldı ve 4,442,484 numaralı Birleşik Devletler patenti alındı.

32-bit tasarımları ortaya çıkmaya başladıktan sonra 16-bit tasarımları piyasada çok fazla kalamadı.

32-bit tasarımların en ünlülerinden biri, 1979’de üretilen MC68000 idi. Sık bilinen adıyla 68K, 32-bit yazmaçlara (register), fakat 16-bit dahili data yollarına (data paths) ve pin sayısını azaltmak üzere 16-bit harici data bus a sahipti ve yalnızca 24-bit adreslemeyi destekliyordu. Motorola’nın onu genel olarak 16-bit bir işlemci olarak tanıtmasına rağmen, açık bir şekilde 32-bit mimarisine sahipti. Yüksek hız, büyük (16 megabayt) bellek alanı ve nispeten ucuz fiyatı onu sınıfının en popüler ana işlem birimi tasarımı haline getirdi. Atari ST ve Commodore Amiga gibi 1980’lerin ortalarındaki sistemlerde kullanılmasının yanı sıra aynı zamanda Apple Lisa ve Macintosh sistemlerinde de 68000 kullanılmıştır.

Dünyanın ilk tek-çip tam 32-bit mikroişlemcisi (32-bit data yolları, 32-bit bus lar ve 32-bit adresleme), ilk örnekleri 1980’de gelen ve üretime 1982’de geçen AT&T Bell Labs BELLMAC-32A idi (Bu kaynakçasal referans a ve bu genel referans a bakabilirsiniz). 1984’de AT&T’nin dağılmasından sonra bu mikroişlemciye WE 32200 adı verildi (WE Western Electric’in kısaltmasıydı) ve iki takipçi nesile sahip oldu: WE 32100 ve WE 32200. Bu mikroişlemciler, AT&T 3B5 ve 3B15 mikrobilgisayarlarda, Dünya'nın ilk masaüstü süpermikrobilgisayarı 3B2’de, Dünya'nın ilk 32-bit dizüstü bilgisayarı “Companion”da ve günümüzdeki oyun konsollarındakine benzer ROM-pack bellek kartuşu kullanan Dünya'nın ilk kitap-boyutunda (book-sized) süpermikrobilgisayarı “Alexander” da kullanıldı. Bu sistemlerin tümü UNIX System V işletim sistemini çalıştırıyordu.

Intel’in ilk 32-bit mikroişlemcisi iAPX 432 idi. 1981’de üretilen bu mikroişlemci, ticari bir başarıya ulaşamadı. Gelişmiş bir yetenek tabanlı nesne yönelimli mimariye (capability-based object-oriented architecture) sahipti. Fakat Motorola 68000 gibi rakip mimarilere göre düşük performans elde ediliyordu.

Motorola’nın 68000 ile yakaladığı başarı, sanal bellek (virtual memory) desteği sunan MC68010’u doğurdu. 1985’de tanıtılan MC68020 tam 32-bit data ve adres bus larına sahipti. 68020, Unix süpermikrobilgisayar piyasası ve masaüstü sistemler üreten birçok küçük şirket (örneğin; Altos, Charles River Data Systems) için çok popüler oldu. Bunu takiben, MMU’yu çipe ekleyen MC68030 ile beraber 68K ailesi, DOS çalıştırmayan her sistem için uygun işlemci oldu. Devam eden başarı, daha iyi aritmetik performans için FPU’ya sahip olan MC68040’ı doğurdu. 68050, hedeflediği performansa ulaşamadı ve piyasaya sürülmedi. Takipçisi MC68060, piyasaya çok daha hızlı bir RISC tasarımla sürüldü. 1990’ların başlarında 68K ailesi masaüstü piyasasından çekildi.

Diğer büyük şirketler, 68020’yi tasarladı ve takipçilerini gömülü ekipmanlarda (embedded equipment) kullandılar. Bir noktada, gömülü ekipmanlardaki 68020’lerin sayısı, PC’lerdeki Intel Pentium’lardan daha fazlaydı (Gömülü kullanım bilgisi için bu siteye bakınız). ColdFire işlemci çekirdekleri, saygıdeğer 68020’nin türevleriydi.

Bu zaman süresince (1980’lerin başlarından ortalarına kadar), National Semiconductor, NS 16032 adında (daha sonra 32016 ismi verildi) 68020’ye çok benzer bir 16-bit pinout lu, 32-bit dahili mikroişlemciyi, tam 32-bit versiyonu olan NS 32032’yi ve bir sınıf 32-bit endüstriyel OEM mikrobilgisayarları üretti. 1980’lerin ortalarında, Sequent, NS 32032 kullanarak; ilk simetrik çoklu-işlemcili (symmetric multiprocessor (SMP)) server sınıfı bilgisayarı üretti. Bu, 32032’nin birkaç başarısından biriydi ve 1980’lerin sonunda piyasadan çekildi.

MIPS R2000 (1984) ve R3000 (1989) çok başarılı 32-bit RISC mikroişlemcilerdi. Uç sınıf (high-end) iş platformlarında ve server larda kullanıldı.

Diğer tasarımlardan biri, piyasaya çok geç giren ve çabuk çekilen ilginç Zilog Z8000’di.

1980’lerin sonlarındaki “mikroişlemci savaşları” bazı mikroişlemcileri öldürdü. Örneğin, sadece bir ana tasarım kazancıyla, Sequent’in NS 32032’si yok oldu ve Sequent, Intel mikroişlemcileri kullanmaya başladı.

1985’den 2003’e kadar 32-bit x86 mimarisi, masaüstünde, dizüstünde ve server piyasasında giderek yaygınlaştı ve bu mikroişlemciler gittikçe daha hızlı ve daha yetenekli hale geldiler. Intel, mimarisinin öncü versiyonlarını diğer şirketlere lisansladı fakat Pentium'u lisanslamayı reddetti. Bu yüzden AMD ve Cyrix, kendi tasarımlarını yaparak bu mimarinin daha sonraki versiyonlarını gerçekleştirdiler. Bu kısa süre içinde, işlemcilerin karmaşıklığı (transistör sayısı) ve yetenekleri (komut/saniye) en az 1000 katına çıktı.

1990’ların başlarından beri bazı piyasalarda 64-bit mikroişlemciler kullanılırken, 2000’lerin başları PC piyasası için hedeflenmiş 64-bit mikroçiplerin doğuşu olarak kabul edilir.

AMD’nin Eylül 2003’te ilk 64-bit IA-32 ile geriye uyumlu mimarisi olan AMD64’ü tanıtmasından sonra, Intel de kendi x86-64 ciplerini üretti ve 64-bit masaüstü çağı başlamış oldu. İki işlemci de eski 32-bit uygulamaları çalıştırabilirken, yeni 64-bit yazılımları da destekliyordu. 64-bit Windows XP ve 64-bit çalışabilen Linux ile yazılımlar da bu işlemcilerin bütün gücünü ortaya çıkarma fırsatı buldu. 64-bit e geçiş sadece yazmaç boyutlarının IA-32’ye göre artması değil ayrıca yaşlanmış CISC tasarımı için genel amaçlı yazmaçların sayısının da iki katına çıkması demekti.

64 bit e geçiş, 90’ların başlarında PowerPC işlemcilerinin tasarımından beri amaçlanmıştı ve uyumsuzluk için büyük bir neden değildi. Mevcut tam sayı yazmaçları, ilgili data yolları gibi genişletilmişti fakat birkaç yıl boyunca IA-32’de olduğu gibi floating point ve vektör birimleri 64 bit veya daha fazlasında çalışıyordu. x86-64’e genişleyen IA-32’de olanın aksine, 64-bit PowerPC’ye yeni bir genel amaçlı yazmaç eklenmedi. Böylece, geniş adres alanını kullanmayan 64-bit modu uygulamaları çalıştırılırken elde edilen performans kazancı az oluyordu.

1990’ların başlarından beri server larda ve iş platformlarında kullanılan ve popüler olan simetrik çokluişlem (multiprocessing) tasarımlarında olduğu gibi, bilgisayarın performansını arttırmak için değişik bir yaklaşım da bilgisayara daha fazla işlemci eklemekti. Moore Kanunu’na uygun kalmak; çip yapma teknolojileri, teknolojinin fiziksel sınırlarına yaklaştıkça daha da zorlaşmaktadır. Bu yüzden, piyasadaki sabit gelişimlerin hızını yakalamak için mikroişlemci üreticileri performansı arttırmak adına başka yollar aramaktadırlar.

Birçok-çekirdekli işlemci, kabaca birden fazla mikroişlemci çekirdeğini kapsayan tek bir çiptir. Etkin olarak, potansiyel performansı çekirdek sayısıyla çarpmak (işletim sistemi ve yazılım birden çok işlemcinin avantajını kullanacak şekilde tasarlamışsa) genel performansı verir. Bus arayüzü ve ikinci seviye önbellek (second level cache) gibi bazı bileşenler çekirdekler arasında paylaşılabilir. Çekirdekler fiziksel olarak birbirlerine çok yakın olduğu için, ayrık çokişlemcili sistemlere göre, birbirleriyle iletişimleri çok daha yüksek saat hızlarında gerçekleşir ve böylece genel sistem performansı artmış olur.

2005’de, ilk büyük piyasa çift-çekirdek (dual-core) işlemcileri duyuruldu ve 2006 itibarıyla, server lar için dört-çekirdek (quad-core) işlemciler kullanılabilir olmaya başlarken, çift-çekirdek işlemciler uç-sınıf server larda ve iş platformlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

1980’lerin ortalarından 1990’ların başlarına kadar, birçok yeni, yüksek performanslı RISC (azaltılmış komut kümesi bilgisayarı (reduced instruction set computer)) mikroişlemciler üretildi. Bu mikroişlemciler, özel amaçlı makinelerde ve Unix iş platformlarında kullanıldı ve Intel-standart masaüstü hariç bütün rollerde evrensel bir hale geldi.

İlk ticari tasarım, MIPS Technologies tarafından yapıldı, 32-bit R2000 (R1000 piyasaya sürülmemişti). R3000 tasarımı gerçekten pratik bir hale getirmişti ve R4000 Dünya'nın ilk 64-bit tasarımı olarak tanıtıldı. Rakip projeler, IBM’in POWER ve Sun’ın SPARC sistemlerini doğurdu. Kısa bir süre içinde, tüm büyük üreticiler bir RISC tasarımı üretmeye başladılar. Bunlardan bazıları ise: AT&T CRISP, AMD 29000, Intel i860 ve Intel i960, Motorola 88000, DEC Alpha ve HP-PA’ydı.

Piyasa güçleri, ana masaüstü RISC işlemci olarak PowerPC’yi ve sadece Sun tasarımlarında kullanılan SPARC’ı bırakarak; bu tasarımlardan çoğunun eriyip gitmesine neden oldu. MIPS, en önemlisi Cisco router larında olduğu gibi çoğu gömülü tasarım olarak kullanılan bazı SGI sistemleri sağlamaya devam etmektedir. Orijinal tasarımların geri kalanı ise günümüzde ya yok olmuştur ya da yok olma eşiğindedir. Diğer şirketler, özellikle ARM’a yöneldi. ARM orijinal olarak ev bilgisayarlarını amaçlamış fakat daha sonra gömülü işlemci piyasasına yoğunlaşmıştır. Bugün, MIPS, ARM veya PowerPC çekirdeği tabanlı RISC tasarımları işlemsel aygıtların (computing devices) çok geniş bir çoğunluğuna güç vermektedir. 64-bit hesaplamalarında, DEC Alpha, AMD64, MIPS, SPARC, Power Mimarisi ve HP-Intel Itanium popüler tasarımlardır..

“Mikroişlemci” terimi, geleneksel olarak bir tek-çip veya çoklu-çip ana işlem birimini veya bir-çipte-