De werking van een microprocessor beschrijft wat er gebeurt wanneer een programma wordt uitgevoerd. Dit gebeurt via de zogenaamde fetch–decode–execute-cyclus.
1. Fetch (ophalen) De processor haalt een instructie uit het geheugen.
2. Decode (decoderen) De instructie wordt ontcijferd. De processor bepaalt welke gegevens nodig zijn en welke onderdelen gebruikt moeten worden.
3. Execute (uitvoeren) De bewerking wordt uitgevoerd, meestal door de ALU. Het resultaat wordt opgeslagen in een register of teruggeschreven naar het geheugen.
Fetch Decode Execute Cycle - GCSE Computer Science TheoryDeze stappen worden aangestuurd door de besturingseenheid en uitgevoerd in het datapad. In moderne processors worden deze stappen vaak overlappend uitgevoerd met behulp van pipelining, waardoor meerdere instructies tegelijk verwerkt kunnen worden

Deze drie stappen worden in hardware meestal gerealiseerd met twee hoofdcomponenten: de besturingseenheid (control unit) en het datapad (datapath). Het datapad is het netwerk van registers, verbindingen en functionele eenheden waar de gegevens doorheen stromen. De besturingseenheid genereert de besturingssignalen die bepalen welke paden geopend worden en welke operaties uitgevoerd moeten worden. In het datapad bevinden zich onder andere registerbestanden (register files) en één of meer Arithmetic Logic Units (ALU’s). ALU’s voeren rekenkundige bewerkingen (zoals optellen, aftrekken, verschuiven en complementeren) en logische bewerkingen (zoals AND, OR, XOR) uit op de data die door het datapad stroomt. Moderne microprocessors hebben daarnaast een hiërarchie van geheugen (registers → caches → hoofdgeheugen) om veelgebruikte instructies en data dichter bij de CPU te bewaren en zo de prestaties te verbeteren.