x86-64 (còn gọi là x64, x86_64, AMD64 và Intel64) là phiên bản mở rộng 64bit của tập lệnh x86. Nó giới thiệu hai chế độ hoạt động mới, chế độ 64 bit và chế độ tương thích, cùng với chế độ phân trang 4 cấp độ mới. Với chế độ 64 bit và chế độ phân trang mới, nó hỗ trợ bộ nhớ ảo và bộ nhớ vật lý lớn hơn rất nhiều so với các phiên bản trước 32 bit, cho phép các chương trình lưu trữ lượng dữ liệu lớn hơn trong bộ nhớ. x86-64 cũng mở rộng các thanh ghi mục đích chung thành 64 bit, cũng như mở rộng số lượng của chúng từ 8 (một số trong đó có chức năng giới hạn hoặc cố định, ví dụ như để quản lý ngăn xếp) thành 16 (hoàn toàn chung) và cung cấp nhiều cải tiến khác. Các thao tác dấu phẩy động được hỗ trợ thông qua các nhóm lệnh giống như SSE2 bắt buộc và các thanh ghi kiểu x87/MMX thường không được sử dụng (nhưng vẫn khả dụng ngay cả ở chế độ 64 bit); thay vào đó, một bộ gồm 32 thanh ghi vector, mỗi thanh 128 bit, được sử dụng (Mỗi thanh có thể lưu một hoặc hai số kép hoặc một đến bốn số đơn hoặc các định dạng số nguyên khác nhau.) Trong chế độ 64 bit, các nhóm lệnh được sửa đổi để hỗ trợ toán hạng 64 bit và chế độ địa chỉ 64 bit. Chế độ tương thích cho phép các ứng dụng người dùng 16 và 32 bit chạy cùng tồn tại không thay đổi với các ứng dụng 64 bit nếu hệ điều hành 64 bit hỗ trợ chúng.[1][note 1] Vì các tập lệnh x86 16 bit và 32 bit đầy đủ vẫn được triển khai trong phần cứng mà không có bất kỳ mô phỏng can thiệp nào, các tệp thực thi cũ này có thể chạy với ít hoặc không có hình phạt hiệu năng,[3] trong khi các ứng dụng mới hơn hoặc được sửa đổi có thể tận dụng các tính năng mới của thiết kế bộ xử lý để đạt được cải tiến hiệu suất. Ngoài ra, bộ xử lý hỗ trợ x86-64 vẫn bật ở chế độ thực để tương thích ngược hoàn toànThông số ban đầu, được tạo bởi AMD và phát hành năm 2000, đã được AMD, Intel và VIA triển khai. Bộ xử lý AMD K8 là bản đầu tiên thực hiện nó. Đây là sự bổ sung đáng kể đầu tiên cho kiến trúc x86 được thiết kế bởi một công ty khác ngoài Intel. Intel đã buộc phải tuân theo và giới thiệu một họ NetBurst đã được sửa đổi, tương thích với phần mềm với đặc điểm kỹ thuật của AMD. VIA Technologies giới thiệu x86-64 trong kiến trúc VIA Isaiah của họ, với VIA Nano.Kiến trúc x86-64 khác với kiến trúc Intel Itanium (trước đây là IA-64), không tương thích ở cấp độ tập lệnh gốc với kiến trúc x86. Các hệ điều hành và ứng dụng được viết cho cái này không thể chạy trên cái kia.