Der L2-Cache (Second Level Cache) ist ein Prozessor Cache. Er puffert grössere gegenwärtig zu bearbeitende Daten, teilweise auch ganze Programmteile. Er dient zur Zwischenlagerung von Hauptspeicherdaten, genau wie der First-Level-Cache.  Der L2 Cache arbeitet mit dem halben Prozessortakt, der Level 1 Cache arbeitet mit dem ganzen Prozessortakt, also wesentlich schneller als der Hauptspeicher. Dadurch stehen Daten, die im Prozessor Cache stehen  schon im nächsten Takt zur Verfügung und werden nicht durch den langsameren Hauptspeicher ausgebremst. Der L2-Cache hat ein Fassungsvolumen von 256 bis 2048 Kilobyte. Im Idealfall liegt er wie der L1 Cache on-Die auf dem Prozessorchip.  In diesem Fall arbeitet er mit der vollen Taktrate des Prozessors und ein L3 Cache kann den Datenfluss nochmals verbessern. Bei älteren Architekturen liegt er auf dem Motherboard und arbeitet mit der halben Taktrate. Da immer nur Teile  des Arbeitsspeichers im Cache zwischengelagert werden können, muss das Einlagern und Austauschen der Daten intelligent gesteuert werden. Die Grössenordnung der Daten die verschoben werden bezieht sich meist nicht auf Bytes sondern auf Blöcke.  Grundüberlegung ist die, dass es am sinnvollsten ist, denjenigen Block im Cache zu speichern, der potentiell am wahrscheinlichsten und häufigsten benötigt wird. Oftmals wird die LRU (Last Recently Used)-Strategie verfolgt, d.h. man tauscht den am  längsten nicht mehr benötigten Block aus. Weitere Strategien sind FIFO (First In First Out): der älteste Block wird ausgetauscht und LFU (Last Frequently Used): der am wenigsten gelesene Block wird ausgetauscht.