ชุดคำสั่ง AMD64 ถูกนำไปใช้ในไมโครโพรเซสเซอร์ของ AMD ดังนี้ Athlon 64, Athlon 64 FX, Athlon 64 X2, Turion 64, Turion 64 X2, Opteron และ Sempron (เฉพาะรุ่นที่ผลิตในช่วงหลัง)

คุณสมบัติของสถาปัตยกรรม

AMD64 ถูกสร้างมาเพื่อเป็นคู่แข่งกับสถาปัตยกรรม IA64 ของบริษัทอินเทลและเอชพี ข้อแตกต่างที่สำคัญมีดังนี้

• สนับสนุนจำนวนตัวเลข (integer) ขนาด 64 บิต โดยขยายขนาดของเรจิสเตอร์สำหรับงานทั่วไป general-purpose registers (GPRs) จาก 32 บิตเป็น 64 บิต และปรับปรุงส่วนคำสั่งอื่นๆ ให้สนับสนุนตัวเลขแบบ 64 บิตด้วย
• เพิ่มจำนวนเรจิสเตอร์ เพิ่มจำนวนเรจิสเตอร์ทำงานทั่วไปจาก 8 ตัวในสถาปัตยกรรม x86 เดิม เป็น 16 ตัว ซึ่งทำให้เก็บค่าตัวแปรไว้ในเรจิสเตอร์ได้มากขึ้น และส่งผลให้การทำงานของระบบรวดเร็วขึ้น
• เพิ่มเรจิสเตอร์สำหรับ XMM (SSE) เพิ่มจำนวนของเรจิสเตอร์สำหรับงาน XMM จาก 8 ตัวเป็น 16 ตัว
• ขยายขนาดตำแหน่งหน่วยความจำแบบ virtual ตามทฤษฎีแล้วสถาปัตยกรรมแบบ AMD64 สนับสนุนการอ้างตำแหน่งหน่วยความจำแบบ virtual ได้มากถึง 16 exbibyte (264 ไบต์) เมื่อเทียบกับ x86 แบบเดิมที่อ้างได้เพียง 4 gibibyte (ซีพียูแบบ AMD64 ที่วางขายในปัจจุบัน ยังอ้างได้เพียง 256 tebibyte หรือ 248 ไบต์ แต่สามารถปรับเพิ่มได้ในอนาคต)
• ขยายขนาดตำแหน่งหน่วยความจำแบบ physical ตามทฤษฎีแล้วสถาปัตยกรรมแบบ AMD64 สนับสนุนการอ้างตำแหน่งหน่วยความจำแบบ physcial ได้มากถึง 4 petibyte (252 ไบต์) (ซีพียูแบบ AMD64 ที่วางขายในปัจจุบัน ยังอ้างได้เพียง 1 tebibyte หรือ 240 ไบต์ แต่สามารถปรับเพิ่มได้ในอนาคต)
• พอยเตอร์ของชุดคำสั่งสามารถอ้างตำแหน่งข้อมูลแบบสัมพัทธ์ (relative) ทำให้ชุดคำสั่งสามารถเป็นอิสระจากตำแหน่งอ้างอิงแบบคงที่ได้
• สนับสนุนชุดคำสั่ง SSE เดิม AMD64 สนับสนุนเฉพาะ SSE และ SSE2 เท่านั้น ในภายหลังได้สนับสนุนชุดคำสั่ง SSE3 เพิ่มเติม
• No-Execute bit หรือชื่อย่อ NX บิต (บิตที่ 63 ตามตาราง) จะช่วยบอกระบบปฏิบัติการว่าตำแหน่งใดบนหน่วยความจำสามารถทำงาน (execute) ได้ ถ้า NX บิตไม่ทำงาน ตำแหน่งนั้นจะสามารถอ่านได้อย่างเดียว ซึ่งจะช่วยป้องกันการเขียนโปรแกรมที่ทำความเสียหายให้ระบบด้วยวิธี Buffer overflow ได้

โหมดการทำงาน

Operating modes

โหมดการทำงาน	ระบบปฏิบัติการ ที่ต้องการ	แปลงโปรแกรมใหม่	ขนาดของตำแหน่ง	ขนาดตัว operand	ขยายขนาดเรจิสเตอร์	ขนาด GPR ปกติ
Long mode	โหมด 64 บิต	ระบบปํฎิบัติการรุ่นใหม่ที่สนับสนุน 64 บิต	ต้อง	64	32	ต้อง	64
เข้ากันได้กับระบบเดิม	ไม่ต้อง	32	32	ไม่ต้อง	32
16	16	16
Legacy mode	Protected mode	ระบบปฏิบัติการเดิมแบบ 16 หรือ 32 บิต	ไม่ต้อง	32	32	ไม่ต้อง	32
16	16	16
จำลอง 8086	16	16	16
Real mode	ระบบปฏิบัติการเดิมแบบ 16 บิต

อธิบายการทำงานของโหมด

โหมดหลักๆ แบ่งเป็น 2 ประเภทดังนี้

Long modeเป็นโหมดการทำงานหลักของสถาปัตยกรรมนี้ โดยแบ่งเป็นโหมดย่อยคือ 64 บิตล้วน และสนับสนุนทั้ง 32/64 บิต โหมดนี้จะใช้ในระบบปฏิบัติการแบบ 64 บิตเนื่องจากว่าชุดคำสั่งพื้นฐานของ x86 กับ x86-64 ไม่ต่างกัน ดังนั้นโปรแกรมที่เป็น x86 เดิมจะไม่เสียประสิทธิภาพในการทำงานไป ซึ่งต่างจากสถาปัตยกรรมแบบ IA-64 ที่การรันโปรแกรม 32 บิตจะเทียบเท่าการทำงานบนโพรเซสเซอร์ตัวอื่นLegacy modeโหมดนี้จะใช้สำหรับระบบปฏิบัติการแบบ 16 และ 32 บิตเดิม ซึ่งโพรเซสเซอร์จะทำงานเสมือนโพรเซสเซอร์แบบ 32 บิต และไม่สามารถนำโปรแกรมที่เป็น 64 บิตมาใช้งานได้ สนับสนุนเฉพาะโปรแกรมที่เป็น 16 หรือ 32 บิตเท่านั้น