El Core 2 Duo es un procesador con un pipeline de 14 etapas lo que le permite escalar más en frecuencia que su antecesor directo: el Core 1, que tenía 12 etapas al igual que el Athlon 64. Tiene, además, un motor de ejecución ancho con tres ALUs, cuatro FPUs, y tres unidades de SSE de 128 bits. Estas dos características hacen que sea el procesador x86 que más instrucciones por ciclo puede lograr.

Entre otras características destacan arquitectura de 64 bits EM64T (no disponible en su predecesor Core Duo), Virtualization Technology, LaGrande Technology, Intel Enhanced SpeedStep Technology, Active Management Technology (iAMT2), MMX, SSE, SSE2, SSE3,SSSE3, y XD bit.

Otra diferencia es la forma como trabajan sus núcleos: en el dual core sus núcleos trabajan de manera alterna, mientras que en el core 2 dúo sus núcleos trabajan de manera simultanea dando un mayor rendimiento.

Durante un tiempo se dijo que el core 2 dúo poseía 4 núcleos cosa que es errónea. Solo posee 2 pues es un tipo especial de dual core.