Так же как и  процессор Pentium Pro, процессор Pentium II построен на архитектуре двойной независимой шины, увеличивающей пропускную способность и производительную мощность. Впервые использоваан новая разработка — картридж с  контактом, находящимся лишь с одной стороны (Single Edge Contact — SEC). Процессор приспособлен к работе с 32-разрядным софтом и операционками. Высокая интеграция данных и надежность обеспечиваются системной шиной с поддержкой ЕСС, анализом отказов, функцией восстановления и проверкой функциональной избыточности.

Линейка процессоров Intel Pentium II включала устройства с тактовыми частотами от 300 МГц до 450 МГц.  Они абсолютно совместимы по своим5 кодам с прошлыми генерациями процессоров Intel. Весомое увеличение производительной мощности процессоров Pentium II, при сравнении с прошлыми процессорами архитектуры Intel, происходит из совмещения технологии  Pentium Pro с применением последних инструкций ММХ.

Некоторые свойства архитектуры Pentium II:

• многозадачное определение ветвлений: предсказывается несколько направлений ответвлений программы;
• анализ массива данных: после анализа зависимости процессов друг от друга процессор генерирует самый производительный график их выполнения;
• спекулятивное выполнение: процессор выполняет инструкции исходя из самого производительного графика (спекулятивно), создаваяё загруженность блоков суперскалярного выполнения и увеличивая итоговую производительность;
• полная поддержка технологии ММХ.

Конвейерный блок рассчётов с плавающей запятой (FPU) совместно работает с 32- и 64-разрядными форматами данных, а кроме того с форматом 80 бит. При устройствах с тактовой частотой 300 МГц блок осуществляет более 300 миллионов действий с плавающей запятой в секунду (MFLOPS).

Архитектура высокой производительности двойной независимой шины (системная шина и кэш-шина) производит повышение пропускной способности и производительной мощности, а кроме того масштабируемость при работе двух и более процессоров. Системная шина способна обрабатывать  множественные транзакции, что увеличивает пропускную способность.

Микросхемы с 512 Кбайт всей кэшпамяти второго уровня находятся в картридже процессора и функционируют на половине всей частоты ядра процессора. Производительность увеличивается при помощи выделенной 64-разрядной шины кэш-памяти. Процессор оснщён также раздельным кэшем первого уровня (1.6+ 16 Кбайт).

Мониторинг четности сигналов при отправке запроса и отклика системной шины с опцией повтора обуславливает высокую степень надежности и внедрение данных. Технология ЕСС (Error Correction Code) способна корректировать 1-битные и находить 2-битные ошибки системной шины. Встроенный Self Test (BIST) выполняет те же функции, что и в Pentium ММХ. Им5еющиеся счетчики производительной мощности обеспечивают контроль производительности и подсчет событий.