Mitmetuumaline protsessor on integraallülitus, mis kasutab andmete töötlemiseks kahte või enamat individuaalset protsessorit ehk südamikku. Südamikud saab kinnitada ühe integraallülituse külge või ühendada kiibipaketis eraldi stantsidega. Igal tuumal on oma vahemälu ja igaühel on andmete töötlemiseks eraldi võimsus.
Mitmetuumalise protsessori eeliseks on suurenenud kiirus. Traditsiooniline ühetuumaline protsessor salvestab osa andmeid oma vahemällu ja kui on vaja andmeid väljaspool vahemälu, tuleb need hankida mujalt, näiteks muutmälust (RAM). Kui see juhtub, aeglustub protsessori kiirus RAM-i või muu salvestusseadme maksimaalse kiiruseni. See kiirus on tavaliselt palju aeglasem kui protsessori maksimaalne kiirus.
Mitmetuumalised protsessorid on kiiremad, kuna iga tuum saab hakkama oma andmevooga. Kuigi mitmetuumalised protsessorid salvestavad endiselt valikuliselt andmeid vahemällu ja toovad vahemällu salvestamata andmeid muudest salvestuskohtadest, saavad täiendavad tuum või südamikud jätkata käskude täitmist ja teabe vastuvõtmist tavalise protsessori kiirusega, samal ajal kui teine protsessor hangib vajalikku teavet aeglastelt salvestusseadmetelt. Nii ei pea kogu süsteem andmete toomise ajal aeglustuma.
Mitmetuumaline protsessor on eriti väärtuslik multitegumtöö jaoks, kus rohkem kui üks programm teenindab töötlemiseks oma andmekogumit. Eraldi andmevooge saavad käsitleda erinevad tuumad, suurendades üldist töötlemiskiirust. Selleks, et üks tarkvaraprogramm saaks mitmetuumalise tehnoloogia eeliseid kasutada, peab sellel olema samaaegne mitme keermestamise tehnoloogia (SMT), mis võimaldab saata paralleelselt juhiste komplekte mitmele tuumale kasutamiseks.
Esimene kaubanduslikult saadaolev mitmetuumaline protsessor oli kahetuumaline protsessor. Samuti on mitmetuumalised nelja-, kuue- ja kaheksatuumalised protsessorid. Paljud emaplaadid ei suuda aga seda arvu tuumadega toime tulla. Mitmetuumalised süsteemid võivad olla homogeensed, kasutades kõiki identseid südamikke, või heterogeensed, kasutades mitteidentseid südamikke.
Kuigi mitmetuumalised protsessorid on mõeldud üldise kiiruse ja jõudluse suurendamiseks, ei kasuta kõik programmid ära mitmetuumalise töötlustehnoloogia eeliseid. Paljudel programmidel ja isegi mõnel operatsioonisüsteemil puudub SMT, mis on vajalik rohkem kui ühe töötlustuuma kasutamiseks. Mitmetuumalist töötlust kasutavad operatsioonisüsteemid ei ole alati loodud mitmetuumalise töötlemise potentsiaali maksimeerimiseks, seega jääb kogu töötlemisvõime sageli realiseerimata.
Mitmetuumaline protsessor kipub tootma rohkem soojust kui ühetuumaline protsessor, mis põhjustab soojusjuhtimisega probleeme. Protsessori toodetud soojushulk kipub iga täiendava tuumaga plahvatuslikult tõusma. Kõrge temperatuur võib põhjustada protsessorite ülekuumenemist, tekitades tööprobleeme ja ohutusriske. Protsessoritootjad on pidanud investeerima märkimisväärselt aega ja tehnoloogiat, et luua lahendusi mitmetuumaliste protsessorite soojusprobleemidele.