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Die ZUSE Z3 gilt als der erste funktionsfähige speicherprogrammierbare Digitalrechner weltweit^[1] und wurde im Jahr 1941 von Konrad Zuse in Zusammenarbeit mit Helmut Schreyer in Berlin gebaut. Die Z3 bestand aus 600 Relais für das Rechenwerk und 1400 Relais für das Speicherwerk.^[2] Dieser Rechner markiert den Beginn der in der Literatur oft als Generation 0 bezeichneten Epoche, der auf elektromagnetischer Relaistechnik basierenden Rechenautomaten.^[3][4] Im Jahr 1946 wurde der ENIAC (Electronical Numerical Integrator and Computer) unter der Leitung von John Eckert und John Mauchly entwickelt und an der Moore School of Electrical Engineering der Universität von Pennsylvania gebaut. Der ENIAC verfügte über 20 elektronische Register, 3 Funktionstafeln als Festspeicher und bestand aus 18.000 Röhren sowie 1.500 Relais.^[5] Der ENIAC gilt als der erste vollelektronische digitale Universalrechner. Bei diesen Rechenautomaten konnte noch keine Rede von einzelnen Prozessoren im späteren Sinne sein.

Der technologische Sprung von der Röhren- zur Transistortechnik hatte einen geringeren Platzbedarf, eine geringere Temperaturentwicklung, eine höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit, eine niedrigere Ausfallquote sowie einen geringeren Stromverbrauch von nur einigen 100 Watt zur Folge. Die Taktfrequenz stieg auf etwa 1 MHz. Durch die fortschreitende Verkleinerung der Transistoren war es bald möglich, immer mehr Transistoren auf integrierten Schaltungen (ICs) unterzubringen. Waren es zunächst nur einzelne Gatter, integrierte man immer häufiger auch ganze Register und Funktionseinheiten wie Addierer und Zähler, schließlich sogar Registerbänke und Rechenwerke auf einem Chip. Diese zunehmende Integration von immer mehr Transistor- und Gatterfunktionen auf einem Chip führte bald zum Mikroprozessor.

Patentiert wurde der Mikroprozessor von Mitarbeitern des US-amerikanischen Unternehmens Texas Instruments (TI), die im Jahr 1971 den TMS1000 genannten Schaltkreis vorstellten. Diese Entwicklung gilt als Meilenstein für den Eintritt in die 4. Generation der Computertechnik.^[4] Der TMS1000 enthielt neben einem Hauptprozessor ein 1 KiB großes ROM, ein 64×4-Bit-RAM und weitere Funktionen wie Zähler und Timer sowie Schnittstellen für Eingabe und Ausgabe. Damit gehört der TMS1000 zur Familie der Mikrocontroller.

Im selben Jahr wie TI präsentierte das ebenfalls in den USA ansässige Unternehmen Intel mit dem 4004 den „Mikroprozessor“ (englisch microprocessor unit, MPU), der als erster Hauptprozessor (CPU) auf einem Chip angesehen wird, da TI den TMS1000 erst ab dem Jahr 1974 als eigenständiges Produkt vermarktete. Mit nur 4 Bit breiten Registern und einer Taktfrequenz von bis zu 740 kHz war der 4004 nicht sehr leistungsfähig. Seine im Vergleich mit den klassischen CPUs äußerst kompakte Bauform verhalf dem Mikroprozessor schließlich trotzdem zum Durchbruch. Ursprünglich war der 4004 eine Auftragsentwicklung für den japanischen Tischrechnerhersteller Busicom. Intels Mitarbeiter Ted Hoff formulierte 1969 die architektonische Idee, das Herz dieses Tischrechners in Form eines programmierbaren Bausteins zu realisieren. Im Jahr 1970 entwickelte Federico Faggin eine Schaltkreisintegration auf Grundlage von Transistoren mit einer Gate-Elektrode aus Silizium für die Umsetzung des 4004 und führte das Projekt zu seinem erfolgreichen Debüt auf dem Markt im Jahr 1971. Dass daraus die erste universell einsetzbare Einchip-CPU der Welt resultierte, war eigentlich nicht beabsichtigt. Da Busicom damals in finanziellen Schwierigkeiten steckte, bot man Intel den Rückkauf des 4004-Designs an, woraufhin Intel mit der Vermarktung des 4004 begann. Der 4004 wurde zum ersten kommerziellen Mikroprozessor der Welt.

Eine weitere bemerkenswerte Entwicklung wurde im Jahr 1998 nach der Freigabe militärischer Unterlagen bekannt. Demnach hat Garrett AiResearch (u. a. mit den Mitarbeitern Steve Geller und Ray Holt) bereits zwischen 1968 und 1970 einen Chipsatz (aus mehreren ICs bestehendes System, incl. CPU) für militärische Zwecke entwickelt.^[6][7][8][9] Der als MP944 bezeichnete Chipsatz war Bestandteil des Central Air Data Computer (CADC), des Flugkontrollsystems der neuen F-14 Tomcat (US Navy).

Zunächst waren die Schaltungen recht einfach. Die Mikroelektronik brachte neben der Miniaturisierung und der Kostenersparnis weitere Vorteile wie Geschwindigkeit, geringen Stromverbrauch, Zuverlässigkeit und später auch höhere Komplexität mit sich. Das führte dazu, dass vergleichsweise billige Mikroprozessoren mit der Zeit die teuren Prozessoren der Minicomputer und teilweise sogar die Großrechner verdrängten. Gegen Ende des 20. Jahrhunderts hielt der Mikroprozessor Einzug in viele elektronische Geräte, vor allem als CPU von Personal-Computern (PCs). Auch als die Strukturgröße der Mikroprozessorchips auf einige Nanometer weiter verkleinert wurde (14 nm, Stand Januar 2015, Intel Broadwell-Architektur), blieb der Begriff Mikroprozessor bestehen.

Die Wortbreite war wegen der anfangs geringen Integrationsdichte zunächst auf 4 Bit beschränkt. Mit der Zeit wurde die Wortbreite kontinuierlich gesteigert, meistens in Verdopplungsschritten. Da die Ressourcen zu Anfang teuer waren, suchte man nach Wegen, sie optimal an die jeweiligen Erfordernisse anzupassen. Eine Episode auf dem Weg dazu waren Bit-Slice-Systeme, bei denen man mehrere Bit-Slice-Prozessoren geringer Bitbreite zu einem System der gewünschten, größeren Bitbreite zusammenschalten konnte.

Zur Realisierung eines kompletten Computers muss der Mikroprozessor um Speicher und Ein-/Ausgabe-Funktionen erweitert werden. Diese stehen in Form weiterer Chips zur Verfügung. Nur wenige Jahre nach der Einführung von Mikroprozessoren etablierte sich auch der Begriff des Mikrocontrollers, der diese Funktionen auf einem Chip vereint.

Je nach Wortbreite, Befehlstypus (CISC / RISC) und Hersteller unterteilen sich die Prozessoren in verschiedene Prozessorarchitekturen.