Keskprotsessori (CPU) vahemälu on teatud tüüpi muutmälu (RAM), mis on sisse ehitatud otse arvuti mikroprotsessorisse ja mida nimetatakse L1 vahemäluks. Teine protsessori vahemälu valik on piiratud mahuga L2 staatilise RAM-i (SRAM) kiibid emaplaadil. Mõlemad seda tüüpi mälud on esimesed, millele mikroprotsessor rutiinsete juhiste täitmisel ligi pääseb enne standardse RAM-mälu kasutamist, ja see annab protsessoritele paremad jõudlusnäitajad.
Protsessori vahemälu paigutamine mikroprotsessoritele, et võimaldada kiiret juurdepääsu mälule, et kiirendada protsessori juurdepääsu andmetele, on tehtud alates 80486. aastal valmistatud arvutiprotsessori 1989 loomisest, millesse oli sisse ehitatud algeline L1 vahemäluregister. Suuremad L2 vahemälu tasemed, mis olid otse protsessori funktsionaalsusega integreeritud, võeti kasutusele 1995. aastal. Alates 2011. aastast on mõnes arvutisüsteemis tuntud ka kolmas protsessori vahemälu tase L3, millele pääseb juurde enne süsteemi põhimälu. kasutatakse ennast. Iga vahemälu tase on loodud suuremaks ja aeglasemaks, kui selle kaugus mikroprotsessorist suureneb. L1 protsessori vahemälu varaseimad tasemed olid 8 kilobaiti suurune, 2. aasta seisuga ületas masinate L2007 vahemälu juba 6 megabaidi suuruse piirangu ning 2011. aasta seisuga oli mõnel süsteemil L4 vahemälu puhver kuni 64 megabaidi suurune.
Mikroprotsessorite kiire ja väikese mahuga vahemälu funktsioon keskendub juhiste täitmisele. Kuna mikroprotsessor sooritab toiminguid, peab see tavapäraselt saatma andmete päringuid põhimällu kogu süsteemisiini kaudu. Arvuti mõistes on see väga aeglane protsess, nii et protsessori kujundajad lõid protsessi jaoks otseteed andmetele, millele mikroprotsessor korduvalt juurde pääseb. Kui sageli kasutatavad andmed on juba CPU vahemällu laaditud, suudab mikroprotsessor toiminguid teha palju kiiremini ja tõhusamalt. Sel põhjusel nimetatakse seda keskprotsessori mälu sageli käsu- või andmevahemäluks, kus see on otseselt seotud arvuti enda mikroprotsessori ja riistvara funktsionaalsusega. Seevastu suur osa arvuti standardsesse RAM-i salvestatud andmetest on tarkvara vahemälu paljude programmide jaoks, mida arvuti samaaegselt töötab.
L1 vahemälu nimetatakse sageli ka kaitstud mäluks või kirjutusvaba jaotusega mäluks, kuna sellesse vahemällu salvestatud andmed on arvuti tööks hädavajalikud. Kui see kogemata üle kirjutatakse, võib arvutil tekkida üldine kaitsetõrge, mille tõttu on see sunnitud rikutud protsessori vahemälu tühjendamiseks end välja lülitama ja taaskäivitama. Erinevatel protsessori vahemälu tasemetel on kirjutuspuhvri funktsioon, kus nad kirjutavad sinna salvestatud andmed tagasi põhimällu, et vabastada vahemälus ruumi, kui sagedamini kasutatavad toimingud peavad töötlemisel eelistama.
Suur hulk protsessori vahemälu suurendab mikroprotsessori jõudlust punktini, kus see suudab ületada kiiremat protsessorit, millel on vähem süsteemi sisse ehitatud vahemälu. Esikülje siini (FSB) kiirus on samuti oluline mikroprotsessori jõudluse määramisel. Siini kiirused on üldiselt olnud personaalarvutite (PC-de) jõudlusnäitajate kitsaskohaks, kus töötlust tuleb siini kaudu mällu edasi-tagasi suunata. 2011. aasta seisuga on Core 2 protsessorite kõrged FSB-määrad 1,600 megahertsi ehk 1,600 miljonit tsüklit sekundis arvutikäskude komplektide puhul.