Les microprocesseurs sont habituellement regroupés en familles, en fonction du jeu d'instructions qu'ils exécutent. Si ce jeu d'instructions comprend souvent une base commune à toute la famille, les microprocesseurs les plus récents d'une famille peuvent présenter de nouvelles instructions. La rétrocompatibilité au sein d'une famille n'est donc pas toujours assurée. Par exemple un programme dit compatible x86 écrit pour un processeur 80386, qui permet la protection mémoire, pourrait ne pas fonctionner sur des processeurs antérieurs, mais fonctionne sur tous les processeurs plus récents (par exemple un Core Duo d'Intel ou un Athlon d'AMD).
Il existe plusieurs familles de microprocesseurs :
- La famille la plus connue par le grand public est la famille x86, développée principalement par les entreprises Intel (fabricant du Pentium), AMD (fabricant de l'Athlon), VIA et Transmeta. Les deux premières entreprises dominent le marché et elles fabriquent la plus grande part des microprocesseurs pour micro-ordinateurs compatibles PC. Intel fournit également les microprocesseurs pour les micro-ordinateurs Macintosh depuis 2006.
- Les microprocesseurs PowerPC d'IBM et de Motorola équipaient jusqu'en 2006 les micro-ordinateurs Macintosh (fabriqués par Apple). Ces microprocesseurs sont aussi utilisés dans les serveurs de la série P d'IBM et dans divers systèmes embarqués. Dans le domaine des consoles de jeu, des microprocesseurs dérivés du PowerPC équipent la Wii (Broadway), la GameCube (Gekko), Xbox 360 (dérivé à trois cœurs nommé Xenon). La Playstation 3 est équipée du microprocesseur Cell, dérivé du POWER4, une architecture proche de PowerPC.
- Le microprocesseur 6502 de la compagnie MOS Technology a servi à fabriquer le célèbre Apple II.
- Le microprocesseur Zilog Z80 a été largement utilisé dans les années 1980 dans la conception des premiers micro-ordinateurs personnels 8 bits comme le Radio Shack TRS-80, les Sinclair ZX80, ZX81, ZX Spectrum, les Apple II grâce à une carte fille, le standard MSX, les Amstrad CPC et plus tard dans les systèmes embarqués.
- La famille 6800 de la compagnie Motorola.
- La famille 68000 (aussi appelée m68k) de Motorola animait les anciens Macintosh, les Megadrive, les Atari ST et les Commodore Amiga. Leurs dérivés (Dragonball, ColdFire) sont toujours utilisés dans des systèmes embarqués.
Parmi les familles moins connues du grand public :
- La famille Sparc anime la plus grande partie des serveurs et stations de travail de Sun Microsystems, bien que de plus en plus de nouveaux produits soient réalisés à base de x86.
- La famille PA-RISC de HP et VLSI Technology, anime les anciens serveurs et stations de travail de HP, remplacée aujourd'hui par la famille IA-64
- La famille IA-64 de HP et Intel, apporte l'architecture 64 bits aux serveurs et stations de travail de HP
- La famille MIPS anime les stations de travail de Silicon Graphics, des consoles de jeux comme les PSone, les Nintendo 64 et des systèmes embarqués, ainsi que des routeurs Cisco. C'est la première famille à proposer une architecture 64 bits avec le R4000 en 1991. Les processeurs du fondeur chinois Loongson, sont une nouvelle génération basées sur les technologies du MIPS, utilisés dans des supercalculateurs et des ordinateurs faible consommation.
- Le microprocesseur APS3 spécialement conçu pour les systèmes embarqués.
- La famille ARM est de nos jours utilisée uniquement dans les systèmes embarqués, dont de nombreux PDAs et Smartphones, elle a précédemment été utilisée par Acorn pour ses Archimedes et RiscPC.
- La famille DEC Alpha animait les ordinateurs DEC, repris par Compaq puis par HP qui l'a définitivement arrêtée.
