4004の後継である8008は世界初の8ビットマイクロプロセッサである。これらのプロセッサはインテルの8080、ザイログのZ80、他のインテル製派生プロセッサの先駆者である。対抗するモトローラのMC6800アーキテクチャをコピーして強化したのがモステクノロジーの6502であり、Z80と覇を競った。1980年代前半のことである。
Z80も6502もシステム全体のコストを低減することに注力しており、パッケージを小さくし、要求されるバスを単純なものにし、それまで外部に別チップで持たなければならなかった回路（例えばZ80はメモリコントローラ）を内蔵した。これにより1980年初頭にホームコンピュータ市場が新たに生まれ、それなりに使えるマシンが、99USドルで売られるようになった。
モトローラが切り札としてリリースしたMC6809は命令セットに直交性があり美しい設計が特徴の、事実上最もパワフルな8ビットマイクロプロセッサであり、当時製品化されたマイクロプロセッサの中で最も複雑な回路から成っていた。これ以降マイクロコードが複雑な回路に取って代わるようになる。よりパワフルなプロセッサを設計するにあたって、回路だけでは複雑になりすぎるようになってしまったためである。
他の初期の8ビットマイクロプロセッサとしてSigneticsの2650がある。その一風変わったパワフルな命令セットは一時関心を集めた。
航空宇宙分野での最初のマイクロプロセッサはRCAのRCA 1802（別名 CDP1802、RCA COSMAC）は、1970年代のNASAの宇宙探査機ボイジャーとバイキングに使われた。木星探査機ガリレオにも搭載されている（1989年出発、1995年到着）。CDP1802が使われた理由は、消費電力が極めて小さいことと、製造プロセス (Silicon on Sapphire) が宇宙線や放電に他のどんなプロセッサよりも強いからであった。したがって1802は最初の放射線耐性マイクロプロセッサと呼ぶにふさわしい。
最初の複数チップで構成された16ビットマイクロプロセッサは1973年に登場したナショナル セミコンダクターのIMP-16である。8ビット版のチップセットはIMP-8として1974年に登場した。1975年、ナショナル セミコンダクターは最初の16ビットマイクロプロセッサPACEを開発、後にNMOS版のINS8900を開発した。
その他の初期のマルチチップ16ビットマイクロプロセッサとしてはDECのOEM用ボードセットのLSI-11とミニコンピュータPDP-11/03、フェアチャイルドセミコンダクターのMicroFlame 9440があり、これらは1975年から1976年に登場した。
最初のシングルチップの16ビットマイクロプロセッサはTIのTMS9900であり、これは同社のミニコンピュータTI 990シリーズと互換性があった。9900はミニコンピュータTI 990/4、ホームコンピュータTI-99/4A、OEM用マイコンボードTM990シリーズに使われた。チップは大型のセラミック製64ピンDIPパッケージで、当時の8ビットマイクロプロセッサIntel 8080はもっと一般的で小さくて安いプラスチック製40ピンDIPパッケージだった。後継のチップTMS9980はIntel 8080への対抗を意識して設計された。TI 990 の16ビット命令セットを持ち、プラスチック製40ピンパッケージで、データバスは8ビット、アドレス空間は16キロバイトしかなかった。三番目のチップTMS9995は新たに設計しなおされた。ファミリーはさらに99105、99110と進化していった。
インテルはエミュレートすべきミニコンピュータを持たなかったため、全く別の道をたどる。8080を拡張して16ビットのIntel 8086を設計したのである。この80x86ファミリの最初のメンバー8088はパーソナルコンピュータ（パソコン）に広く採用される。インテルは8086を8080用ソフトウェアを最も簡単に移植できる方法として提案し、成功した。8086と8088に続いて、インテルは80186、80286をリリースし、1985年に32ビットの80386をリリースするに及んで、下位互換を武器にPC市場での占有状態を強固なものにした。
マイクロプロセッサ内蔵のメモリ管理機構 (MMU) はChilds他（インテル）によって開発された（米国特許番号 : 4,442,484）。
32ビットマイクロプロセッサIntel 486DX2 のマスクパターンの一部
市場では16ビットマイクロプロセッサは完全な32ビットを実装したマイクロプロセッサが現れるまでのつなぎでしかなかった。
世界初のシングルチップの32ビットマイクロプロセッサはAT&T ベル研究所のBELLMAC-32Aであり、最初のサンプル出荷は1980年で、正式出荷は1982年であった。1984年のAT&T分割の後、WE32000と改称され（WEはWestern Electricを意味する）、さらにWE32100、WE32200と続いた。これらのマイクロプロセッサはAT&Tのミニコンピュータ3B5や3B15、世界初のデスクトップコンピュータ3B2、世界初の32ビットラップトップコンピュータCompanion、世界初の（本程度のサイズの）超小型コンピュータAlexanderに使われた。AlexanderはROMカートリッジを装備しており、その点は現在のゲーム機に似ている。これらは全てベル研究所オリジナルのUNIXオペレーティングシステムが動作し、最初のウィンドウ型ソフトウェアであるxt-layersを装備していた。
インテルの最初の32ビットマイクロプロセッサはiAPX432である。1981年に登場したものの市場では失敗した。iAPX432は権限に基づくセキュリティ機構とオブジェクト指向という進んだアーキテクチャだったのだが、モトローラの68000などの対抗アーキテクチャに比較して性能が及ばなかったのである。
モトローラは1985年にMC68020で、データバスもアドレスバスも完全32ビット化されたマイクロプロセッサを出荷した。68020はUNIX市場では非常に人気を博し、多くの小企業が68020を使ってデスクトップサイズのシステムを製品化した。日本でもソニーのNEWS、NECのEWS4800、住友電工のEstationなどが68020を使って製品化された。続くMC68030はチップにMMUを内蔵し、68KファミリーはMS-DOS以外のあらゆるものが動作するプロセッサとなった。
