Outra mudança trazida pelo Pentium foi a adoção de caches separados para dados e instruções. Diferente do 486, que usava um único bloco de cache L1 para tudo, o Pentium adotou o uso de dois blocos separados de cache L1 (de 8 KB cada um, totalizando 16 KB) para dados e instruções. Isso melhorou a eficiência do cache (em relação ao cache unificado do 486), permitindo que o processador consiga acessar instruções e os dados necessários (para executá-las) simultaneamente, em vez de precisar fazer duas operações separadas.
Além do aumento no tamanho, o cache L1 passou a ser acessado através de um barramento interno de 512 bits (256 bits para o cache de dados e mais 256 para o de instruções), contra apenas 128 bits no 486. Assim como no 5×86 da AMD, passou também a ser utilizado cache write-back, que também cacheava as operações de escrita. O cache usado no 486 cacheia apenas as operações de leitura, o que permite ao processador ganhar tempo ao ler dados, mas não ajuda na hora de gravar, situação onde o processador tinha que esperar pela memória RAM.
Com a popularização dos jogos (e dos aplicativos 3D de uma maneira geral), o desempenho do processador em operações de ponto flutuante passou a ser cada vez mais importante. Combinado com as melhorias no cache, foi desenvolvido um co-processador aritmético cerca de 5 vezes mais rápido que o usado no 486, que adotou o processamento de instruções em estágios, assim como nas unidades de execução de inteiros. O co-processador do Pentium era tão rápido (comparado com outros processadores da época), que mesmo um K6-2 perdia para um Pentium da mesma frequência em jogos e aplicativos muito dependentes de cálculos de ponto flutuante.
A arquitetura do Pentium continua viva até os dias de hoje na forma do Atom, que é essencialmente um Pentium modernizado, com um pipeline mais longo, suporte às instruções SSE e capaz de operar a frequências de clock mais altas.
Pentium 100 com o encapsulamento de cerâmica e uma foto do die do processador
Acompanhando as melhorias no processador, foram feitas também mudanças nas placas-mãe, com o objetivo de melhorar o desempenho de acesso à memória RAM. A primeira diferença é que as placas para Pentium operam a frequências mais altas: 60 ou 66 MHz, de acordo com o processador usado.
Embora as memórias FPM e EDO usadas na época não fossem capazes de acompanhar a mudança (elas passaram a trabalhar usando tempos de espera), o aumento da frequência permitiu usar chips de cache L2 mais rápidos (já que eles operavam na frequência da placa-mãe). Além disso, o Pentium passou a acessar a memória a 64 bits, ao invés de 32 bits como no 486, o que efetivamente dobrou a velocidade do barramento com a memória.
As mudanças deram origem à plataforma soquete 7, que além de ter sido usada durante toda a era Pentium, ganhou uma sobrevida inesperada com as placas super 7, destinadas aos K6-2 e K6-3.
Uma característica da plataforma é a maneira como os módulos de memória são instalados. Como os módulos de 72 vias usados na época eram módulos de 32 bits, era necessário utilizá-los aos pares, sempre 2 ou 4 módulos, sendo que os módulos dentro de cada par deveriam ser idênticos:
Na foto a seguir temos uma comparação entre um módulo DIMM SDR, um módulo de 72 vias e um antigo módulo de 30 vias, como os usados nos micros 386 e nos primeiros 486:
Os processadores Pentium existiram em versões de 60 a 200 MHz, sempre com a placa-mãe operando a 60 ou 66 MHz e usando um multiplicador de 1x, 1.5x, 2x, 2.5x ou 3x para atingir a frequência anunciada. Era comum fazer overclock aumentando a frequência da placa-mãe para 75 MHz, opção oferecida pela maioria das placas soquete 7 da época.
Assim como na época dos micros 486, as placas-mãe para processadores Pentium (com exceção de placas muito antigas) suportam várias frequências de barramento e vários multiplicadores distintos, o que permitia usar a placa-mãe em conjunto com qualquer processador da família.