В 1995 году было представлено семейство процессоров P6, имевшее уже 3 независимых конвейера. Первым процессором этого семейства был процессор Pentium Pro.  Принципиальное отличие этого семейства состоит в том, что P6 преобразует команды x86 во внутренние, RISC-подобные команды, называемые микрокомандами (micro-ops). Это позволяет устранить многие ограничения, свойственные набору команд x86, такие как нерегулярность кодирования команд, операции целочисленных пересылок регистр-память и переменная длина непосредственных операндов.  Шина адреса процессоров P6 расширилась до 36 разрядов, что позволяет использовать адресное пространство размером до 64 гигабайт.  CPU и кэш второго уровня  разместились в одном корпусе. Обмен данными процессора с кэш второго уровня осуществлялся не по системной шине, а напрямую, на частоте его ядра.         

 В процессоре Pentium Pro были реализованы и другие новшества:

 Количество стадий конвейера для целочисленных операций увеличено с 5 до 12. Рассмотрим поэтапную работу конвейера процессора P6, состоящего из 12 ступеней. Конвейер можно разделить на три самостоятельных функциональных блока - входной блок упорядоченной обработки (in-order front end), отвечающий за декодирование и обработку команд, ядро исполнения с изменением последовательности (out-of-order core), где, собственно, и происходит выполнение команд, и конвейер упорядоченного вывода команд из последовательности (in-order retirement).  
 Блок выборки команды (instruction fetch unit) считывает поток инструкций из L1-кэша команд порциями по 32 байта за такт.
 Для поиска начала команды используется текущий указатель команды (IP-instruction pointer), а затем выровненные 16 байт команды передаются на три дешифратора. В случае, если команда находится в конце первой строки кэша, считывается вторая строка кэша для получения недостающих байт.
 Реализован механизм выполнения инструкций с нарушением очередности их следования (так называемое спекулятивное ветвление), что позволило Pentium Pro просматривать до 18 инструкций вперед и обрабатывать их в зависимости от их готовности, а не от порядка следования в программе.
 Процессор Pentium Pro стал родоначальником процессоров Pentium шестого поколения. Однако изготовление процессоров такой архитектуры по технологии 0,5 мкм было очень дорого, поэтому процессор Pentium Pro использовался практически только в высокопроизводительных серверах.