64ビットの汎用レジスタを持ち、32ビットのx86より広いアドレス空間をサポートするため、大きいデータをより容易に扱うことができる。またx64は32ビットのプログラムコードと完全な後方互換性を持つ[7]。全ての32ビットの命令セットが実装されているため、32ビットのx86実行ファイルは、互換性あるいは性能の損失なしに動作させられる[8]。ただし、アプリケーションソフトウェアがx64の性能を活かすには、x64ネイティブコードを出力するコンパイラを用いることが必要である。
アーキテクチャの特徴

AMDがx86命令セットを64ビット化する際に使ったのは、x86命令の先頭にプリフィックスをつけるという手法である（REXプリフィックスと呼ばれる）。プリフィックスを使うのは、インテルが16ビットCPU 80286を32ビット化(80386)するときに使った手法でもある。DEC Alpha の設計者の一人 ダーク・メイヤー が AMD64仕様の作成に関わり、彼をはじめとするDEC出身者の経験がこのプロジェクトに活かされた。特筆すべき点は以下のようなものである。
レジスタの追加と拡張
汎用レジスタ (GPR) 数はIA-32の8本 (EAX,EBX,ECX,EDX,ESI,EDI,EBP,ESP) に更にR8?R15の8本を追加して16本に増やされ、各レジスタのビット幅も32ビットから64ビットに拡張された。IA-32は汎用レジスタが少ないことからコンパイラによる最適化に限界があり、これが最も大きな欠点とされた。AMD64に最適化されたアプリケーションでは、レジスタ本数の増加によって性能向上が見込まれ、特に深いループを持った演算主体のソフトウェアでその傾向が強いと見込まれる。さらに128ビットのXMMレジスタの本数も8本から16本に増やされた（Streaming SIMD命令で使われる）。
アドレス空間の拡張
AMD64アーキテクチャでは、現状の実装で48ビットのアドレス空間を持ち、256テラバイトまでのメモリを扱うことが出来る。IA-32アーキテクチャにおいて初期のプロセッサでは、アドレス空間は32ビットで表現できる4GiBに制約され、Pentium Pro以降の実装で追加された物理アドレス拡張機能を使用することで64GiBのメモリを接続できるが、1プロセスで利用可能なメモリ空間はやはり4GiBに制約された。32bit版Windowsシリーズにおいては、OSの仕様でアプリケーションが利用可能なメモリはおよそ3GiBに制約される[9]。これに対しAMD64のLongモードでは、IA-32の物理アドレス拡張をベースに、論理アドレス空間を48ビットへ拡張し(現状物理アドレス空間は52ビット)、将来の拡張で4エクサバイトまでの仮想空間をサポートできるようになっている。関連：2進接頭辞
RIP相対データアクセス
プログラムカウンタ (RIP) 相対でデータにアクセスすることができ、リロケータブルな共有ライブラリのコードを作成できる。また、共有ライブラリを仮想アドレス空間のどこにでも配置することができる（位置独立コード）。
SSE 命令
AMD64アーキテクチャでは明確にインテルのSSEとSSE2を基本命令セットに組み込んでいる。SSE2はx87の80ビット浮動小数点数から 32ビット/64ビットの浮動小数点数に置き換えたものである。SSE/SSE2命令セットは追加の8本のXMMレジスタを扱えるように拡張された。SSEとSSE2がAMD64命令セットに組み込まれており、それが従来のx87 FPUやMMXや3DNow!の機能をカバーする。x64版Windowsでの64ビットプログラムでは、FPU/MMXレジスタをコンテキストスイッチの際に保存しないようにすると噂されたが、実際には保存されるようになっている[10]。
No-Executeビット
NXビット(ページテーブルエントリのビット63)は仮想アドレス空間のどのページが実行可能か、実行不可かを指定することができる。NXビットがセットされたページにあるコードを実行しようとするとメモリアクセス違反となり、実行できない。これは、リードオンリーページへの書き込みを実行しようとしてもできないことと似ている。No-Execute機能は、ウイルスなどがバッファーオーバランなどを使用して、オペレーティングシステムを乗っ取ろうとすることを難しくする。類似の機能は、セグメントの属性として80286以降のプロセッサーに存在している。しかし、近代的なオペレーティングシステムではセグメント機能は古いものと見なされ、セグメントのベースを0、リミットを4Gバイト(32ビットOSの場合)に設定することにより、実質的にセグメントを使用していない。AMDはリニアアドレッシングモードでNo-Execute機能を実装した最初のx86ベンダーである。No-Execute機能は、PAEを有効にすれば、32ビットOSでも使用可能である。
古い機能の削除
x86アーキテクチャーにある多くのシステムプログラミング機能は近代的なオペレーティングシステムでは使用されておらず、それら古い機能は、AMD64のLongモードにはない。それらは、セグメントアドレッシング、タスクステートセグメントを使用したタスクスイッチ、仮想86モードなどである（ただし、FS, GSセグメントは、オペレーティングシステム構造体へのエクストラベースポインタとして残されている）。これらの古い機能は、Legacyモードでは依然として、完全に実装されているので、これまでの32ビット、16ビットオペレーティングシステムは、修正なしにx64プロセッサー上で動作する。
動作モード

動作モード必要なOS再コンパイルの必要性アドレスサイズの既定値オペランドサイズの既定値レジスタの拡張典型的な汎用レジスタの幅