Pentium Pro为Intel的第一代Pentium之后的下一代处理器，开创Intel的P6处理器架构。Pentium Pro的P6架构是Intel后期数款CPU架构的基础，一直沿用为Pentium 4出现之前的所有Intel主流CPU的设计，后来的Intel Core多核结构也是根据P6架构为单核原型的设计。Pentium Pro在1995年11月以Socket 8接口推出。
Pentium Pro以陶瓷或有机塑胶封装，其最大特色在于首先采用双晶粒封装与内置全速二级缓存，双晶粒自然是指将运算核心与缓冲器两颗芯片一同装入CPU中，而片上（onchip）全速二级缓存则是因为这样做可以使得二级缓存可以与内核相同的频率运作，不必在像过去使用主板上较慢速的L2存储器。从而为“乱序执行”所导致的大量内存查找提供了捷径，直接提升了性能。此外，Pentium Pro还具备三个能够把x86指令转换成118位定长的RISC风格微操作的译码器（其中一个能把复杂x86指令转换成4个RISC风格微操作，另外两个解码器则是各可以把一条"简单"x86指令转换成一条RISC风格微操作，即所谓的“4+1+1”的3路解码格局）、实现了乱序执行等。
其二级缓存有256KB/512KB/1MB三款，其中1MB版本使用OLGA（有机塑胶封装），但是肇因于0.35微米制程发热功率甚大，故其时脉不曾高于233 MHz（正式版不超频）。此外，由于指令队列的问题，Pentium Pro的16bit指令执行能力低于Pentium，造成Windows3.X和Windows9X与DOS系统下PentiumPro性能低下，被市场所诟病。
Pentium PRO具有64条资料线，可一次传输64Bits的资料；两个8KB的L1 Cache。Pentium PRO有36条地址线，所以寻址空间可以高达64GB。而且由于Pentium PRO的"非循序运行的超标量架构"，平均一个周期可执行三个指令，因此Pentium PRO的运行速度，可为Pentium的2倍。此外，为了匹配Pentium PRO的运算速度，Pentium PRO内置有256KB（最小）的L2 Cache，以避免使用到访问较慢的主存而影响效率。另外Intel Pentium Pro也可以支持多处理器的架构。
因为Pentium Pro是一款全新设计的CPU，与Pentium CPU的架构完全不同。为了研发进度、可靠性、成本等综合考虑，所有各型号的Pentium Pro都没有包含MMX指令集。这影响了Pentium Pro在图形计算方面的性能。Pentium Pro的16位计算性能有明显缺陷，16位的软件在当时的Win9X操作系统上仍然有很多的应用。这也影响Pentium Pro的市场推广。随后的Pentium II改进上述两个问题。
