AMD64 o x86-64 è l'architettura di AMD per implementare processori a 64-bit. L'approccio AMD64 alla realizzazione di processori a 64-bit è molto differente da quello di Intel utilizzato nella realizzazione di Itanium. AMD ha deciso di estendere semplicemente l'architettura x86 integrando tutto quanto necessario alla realizzazione di sistemi a 64-bit; Intel, invece, ha prodotto una architettura totalmente nuova per i chip Itanium che impedisce il funzionamento di software non realizzati ad-hoc per tale sistema se non in emulazione.

La scelta di AMD porta con sé delle notevoli conseguenze la prima delle quali riguarda la revisione del codice che deve girare sui suoi sistemi a 64-bit: questa sarà molto semplice se non addirittura non necessaria. Inoltre, i processori Opteron ed Athlon 64 sono totalmente compatibili con le applicazioni a 32-bit e dunque possono essere utilizzati sin d'ora anche senza un supporto software specifico.

Un sistema basato su processore AMD Athlon 64 è in grado di far girare gli attuali sistemi operativi a 32-bit con relativo software senza nessun problema per poi passare a sistemi operativi a 64-bit in modo semplice ed indolore. Questo è possibile grazie alla possibilità di lavorare in Legacy mode oppure Long mode per le CPU AMD64:

1. Legacy mode: rimuove tutto il supporto a 64-bit delle CPU AMD64 per farle funzionare strettamente a 32-bit. In questa modalità possono girare gli attuali sistemi operativi come il Windows.
2. Long mode: questa modalità è divisa in due "sottomodalità" che prendono i nomi di Compatibility mode e 64-bit mode.
   • Compatibility mode: studiato per sistemi operativi a 64-bit come la prossima versione del Windows XP a 64-bit di Microsoft, Windows Server 2003 e Linux sui quali gira software a 32-bit come gli attuali database. Il vantaggio di questa modalità è che ogni applicazione funzionante a 32-bit potrebbe disporre di 4GB di memoria, come limite massimo, solo per sé, con prestazioni migliorate per tali applicazioni fino a quando esse non verranno completamente portate a 64-bit.
   • 64-bit mode: questa modalità è intesa per essere usata in ambienti a 64-bit puri dove sistema operativo e software funzionano entrambi a 64-bit.

AMD ha differenziato i processori a 64-bit che vanno a coprire il mercato professionale come quello di server e workstation, con la serie Opteron, e quello consumer di desktop e computer portatili con la serie Athlon 64. Le CPU AMD Opteron devono sottostare a test di validazione molto più stringenti di quelli delle CPU Athlon 64. Inoltre le prime hanno più di un link HyperTransport integrato, tre in particolare, con la possibilità di realizzare sistemi multiprocessore. Le CPU Athlon 64 hanno un solo link HyperTransport che offre una banda di 6.4 GB/s. Esiste anche una differenza in termini di quantitativi di memoria cache integrata.