Можно назвать 3 наиболее очевидных преимущества 64-битных процессоров над своими 32-битными аналогами: это расширенное адресное пространство, увеличение разрядности и увеличение числа регистров общего назначения.
Расширенное 64-битное адресное пространство теоретически позволяет процессору работать с 16 экзабайт (2^64) физической памяти в рамках плоской модели организации. И хотя современные 64-разрядные процессоры на практике могут обеспечить доступ лишь к 1 терабайту (2^40) памяти, данный показатель всё равно уже значительно превосходит возможности 32-битной адресации. Увеличение объема доступной памяти в свою очередь, даёт возможность исключить или сильно сократить количество крайне медленных операций по подкачке данных с диска.
Увеличение числа и разрядности регистров позволит процессору одновременно работать с большими участками памяти, более эффективно работать с переменными и массивами, передавать аргументы функций в регистрах вместо использования для этой цели стека.
Стоит помнить, что для получения реального прироста производительности на 64-разрядном процессоре необходимо портировать программу с применением 64-битной версии компилятора и учитывая изменение модели данных (новые размерности типов). Запуск неадаптированного для 64-битной платформы приложения наоборот может, в зависимости от особенностей архитектуры используемого процессора, привести к существенным потерям в производительности.
Наибольший же прирост производительности от перехода на 64-разрядную платформу получат приложения, манипулирующие большими массивами данных — это программы класса CAD/CAE, системы управления баз данных, программы для работы с цифровым мультимедиа контентом, прикладные научные приложения. Прирост производительности для ПО данного класса может составить сотни процентов.
Так, например, перевод сервиса "Oracle on Demand" компании Oracle с 32-битной платформы на 64-битную позволил сократить время отклика сервера (при одновременной работе 350 пользователей) с 13.60 до 2.35 секунд. А внедрение компанией ФАСТКОМ в свою IT-инфраструктуру 64-битной платформы на базе процессоров Itanium 2 позволило ликвидировать проблемы, возникшие в связи с возросшей нагрузкой на биллинговые системы, и достигнуть двукратного прироста производительности.