Новые элементы дизайна, объединенные   общим  термином «микроархитектура NetBurst», помогут конвейерам процессора передавать большее число низкоуровневых инструкций за единицу времени. Это избавит от многих ограничений, из-за которых предел тактовой частоты микропроцессоров Pentium III составлял около 1,3 ГГц. В Pentium 4 используется технология Hyper Pipelined Technology (гиперконвейер), удваивающая глубину конвейера и дающая возможность обрабатывать больше микрокоманд в единицу времени.  Другая технология — ADE (динамическое выполнение команд) — позволяет сохранять в конвейере втрое больше инструкций, чем в Pentium III, и делает содержательные предположения об очередности обработки веток кода. ADE играет роль помощника повара, который знает рецепт блюда лишь в общих чертах, но участвует в его приготовлении, подавая требующиеся ингредиенты. Хотя, такой способ исполнения команд из-за неверных предположений в отдельных случаях может даже замедлить работу процессора.  

Intel увеличила частоту системной шины до 400 МГц — в самых быстрых Pentium III она составляла 133 МГц. Для того чтобы повторяющиеся инструкции не перегружали соединение память — процессор, функция Execution Trace Cache (КЭШ-трассировки выполняемых операций) сохраняет уже декодированные команды. Модуль арифметической логики удвоенной скорости работает в два раза быстрее остальной части процессора, за счет чего достигается высокая производительность операций с целыми числами. Благодаря этому и высокой тактовой частоте процессора теоретически должна повыситься скорость работы всех приложений, в том числе текстовых процессоров и электронных таблиц.