Der Pentium 4 (Codename Willamette) wurde 2000 mit einem komplett neuen CPU Kern entwickelt und im selben Jahr auf den Markt eingeführt. In diesem Kern, von Intel NetBurst-Architektur genannt, sind 42 Millionen Transistoren integriert.  Neu ist unter anderem ein verbessertes Rechenwerk (ALU), welches mit dem doppelten Wert der internen Taktfrequenz (CPU-Takt) arbeitet. Beim Front Side Bus (FSB) kommt das sogenannte Quad Pumping zum Einsatz. Die Übertragungsrate  auf diesem Bus ist pro Takt viermal so hoch wie beim Pentium III. Durch geringere Strukturbreiten in den Nachfolgemodellen der Pentium-Produktfamilien: Northwood, Prescott, Centrino, Pentium 4-C  erreicht der Pentium 4, je nach Modell, Taktfrequenzen von über 3,0 GHz oder eine geringere Leistungsaufnahme durch Stromspartechnologie oder verringerte Taktraten und Kernspannungen.