64位操作系统是指特别为64位架构计算机系统而设计的操作系统。
64位操作系统的优点，在于能够利用64位处理器的优势，在处理多媒体内容时能够有更佳的表现，可以访问4GB以上的内存。
64位操作系统最早在中小型计算机上实现，主要是一些Unix系统，以及RISC平台。此后英特尔和惠普公司合作研制的Itanium 64位处理器（Itanium采用特有的IA-64架构，与x86-64不兼容）推出后，出现了此平台上的64位Linux及微软Windows操作系统（即基于IA-64的Windows XP 64位版）。之后AMD推出了64位的x86-64（AMD将其称为AMD64，随后英特尔也采用该架构但曾一度把它命名为EM64T等等，x86-64的优点是能良好的兼容32位应用软件和32位操作系统）架构CPU，很快就在Linux平台得到支持，并且微软也提供了x86-64版本的Windows XP操作系统（全称Windows XP Professional x64 Edition），使得Itanium处理器日渐势微，最后Itanium只用于服务器。最终英特尔决定推出与AMD之前推出的AMD64兼容的64位CPU，称为Intel 64、EMT64、EM64T等。Apple切换到英特尔平台后也开始开发64位操作系统。早期的解决方案十分古怪：如Mac OS X Tiger和Mac OS X Leopard以32位系统为核心，支持程序以64位模式运行，导致实际执行效率并不高。而后期的系统趋于完善，如Mac OS X Snow Leopard和更新的系统本身已于64位模式运行，可运行64位程序，也可以用兼容模式运行32位程序。
