Несмотря на название Pentium это ядро сильно отличалось от всех предыдущих. Помимо абсолютно новой архитектуры, разработанной независимо от процессоров пятого поколения, этот процессор отличало применение технологии динамического исполнения (изменения порядка исполнения инструкций) и архитектура двойной независимой шины (DIB), благодаря чему сняты ограничения на пропускную способность памяти. Процессор был заключен в 387-контактный корпус типа SPGA, устанавливаемый в Socket 8, который механически не был совместим ни с одним ранее выпускавшимся разъемом. Socket 8 разрабатывался с учетом того, чтобы объединить до 4-х процессоров в многопроцессорную структуру MPS. В одном корпусе размещалось сразу два кристалла — само ядро процессора и кэш-память L2. Кроме того, была добавлена ещё одна шина, которая соединяла процессор с кэшем L2. В результате всего этого был впервые применён кэш L2, работающий на частоте ядра. Кэш первого уровня составлял 16Кб, а кэш L2 первоначально имел размер 256Кб (так же выпускался процессор Pentium Pro 200 с кэшем L2 объемом 512Кб), однако, 18 августа 1997 года был анонсирован процессор Pentium Pro 200 с 1Мб кэша L2 на борту. Pentium Pro был очень дорогим (Pentium Pro 200 с 1Мб L2 первоначально стоил $2650) ввиду того, что теперь в корпусе находилась дорогая, по себестоимости, кэш-память L2. Разрядность шины адреса теперь составляла 36 бит.
Следует отметить, что Pentium Pro не поддерживал технологию MMX. При 32-битных вычислениях и многозадачности он значительно превосходил по производительности Pentium, но в 16-битных приложениях проигрывал ему. Во многом поэтому многие домашние пользователи холодно встретили Pentium Pro (тогда все ещё была популярна 16-битная операционная система Windows 3.1 и MS-DOS).
