Le processeur, souvent appelé CPU (de l'anglais Central Processing Unit, « unité centrale de traitement »), est le composant qui exécute les programmes de l'ordinateur. On le compare souvent au cerveau de la machine, car c'est lui qui lit les instructions, effectue les calculs et coordonne le fonctionnement de tous les autres composants.

Lorsqu'un logiciel est lancé, toutes les instructions qui le composent sont copiées dans la mémoire vive (RAM). Le processeur va alors les lire une à une. Pour chaque instruction, il réalise toujours le même cycle : chercher l'instruction dans la mémoire, la décoder afin de comprendre ce qu'elle demande, puis l'exécuter. Ce cycle, appelé cycle d'instruction, est répété des milliards de fois chaque seconde.

Le processeur réalise des opérations très variées : additions, soustractions, multiplications, comparaisons, déplacements de données, calculs logiques ou encore gestion des communications avec les autres composants. Toutes les actions effectuées par un ordinateur, qu'il s'agisse d'afficher une image, de lire une vidéo ou d'exécuter un jeu, reposent sur une immense succession de ces opérations élémentaires.

À l'intérieur du processeur se trouvent plusieurs unités spécialisées. L'unité arithmétique et logique (ALU) effectue les calculs mathématiques et les opérations logiques. L'unité de contrôle dirige le déroulement des instructions et coordonne le travail des différentes parties du processeur. Des registres, qui sont de très petites mémoires extrêmement rapides, stockent temporairement les données en cours de traitement.

Les processeurs modernes possèdent également une mémoire cache. Cette mémoire est beaucoup plus rapide que la RAM et conserve les données ou les instructions les plus souvent utilisées. En évitant de devoir accéder constamment à la mémoire vive, le processeur gagne un temps précieux et améliore les performances de l'ordinateur.

Aujourd'hui, un processeur contient généralement plusieurs cœurs (cores). Chaque cœur peut exécuter des instructions de manière presque indépendante. Un processeur à quatre, huit ou seize cœurs peut ainsi traiter plusieurs tâches en parallèle, ce qui améliore les performances lorsque plusieurs logiciels fonctionnent en même temps.

La vitesse d'un processeur est exprimée par sa fréquence d'horloge, mesurée en hertz (Hz). Les processeurs actuels fonctionnent généralement entre 2 et 6 gigahertz (GHz). Une fréquence de 4 GHz signifie que l'horloge interne produit environ 4 milliards de cycles par seconde. Cependant, les performances ne dépendent pas uniquement de cette fréquence : l'architecture du processeur, le nombre de cœurs, la taille de la mémoire cache et la qualité des circuits jouent également un rôle essentiel.

Comme tous les composants électroniques, le processeur consomme de l'énergie et dégage de la chaleur. Un système de refroidissement composé d'un radiateur et d'un ventilateur, ou parfois d'un refroidissement liquide, est indispensable pour maintenir une température correcte. Si le processeur devient trop chaud, il réduit automatiquement sa vitesse afin d'éviter d'être endommagé.

Les processeurs modernes renferment plusieurs dizaines de milliards de transistors gravés sur une puce de silicium de quelques centimètres carrés. Malgré leur taille minuscule, ils sont capables d'exécuter plusieurs centaines de milliards d'opérations par seconde, ce qui permet aux ordinateurs de réaliser des tâches de plus en plus complexes avec une très grande rapidité.