Dữ liệu được chuyển giữa bộ nhớ chính và cache theo từng khối cố định kích cỡ, gọi là cache lines. Khi một cache line được  sao chép từ bộ nhớ chính vào cache thì một cache entry được tạo ra. Nó sẽ bao gồm cả dữ liệu được sao chép và vị trí của dữ liệu yêu cầu (gọi là 1 tag).

Khi bộ xử lý cần đọc hay viết một vị trí trong bộ nhớ chính, nó sẽ tìm entry tương ứng trong cache đầu tiên. Cache sẽ kiểm tra nội dung của vị trí dữ liệu yêu cầu trong bất cứ cache line nào có thể có địa chỉ. Nếu bộ xử lý tìm thấy vị trí dữ liệu trong cache, một cache hit đã xảy ra. Tuy nhiên, nếu bộ xử lý không tìm thấy được vị trí dữ liệu trong cache, thì một cache miss đã xảy ra. Trong trường hợp cache hit, bộ xử lý đọc hoặc viết dữ liệu vào cache line ngay lập tức. Còn nếu là cache miss, cache sẽ tạo một entry mới và sao chép dữ liệu từ bộ nhớ chính, sau đó yêu cầu được đáp ứng từ nội dung của cache.