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嵌入式处理器主要分为4类：嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器、嵌入式微处理单元和片上系统。
嵌入式微控制器（Embedded Microcontroller Unit，EMCU）又称为单片机，从20世纪70年代末单片机出现至今，这种8位的电子器件在工业控制、电器产品和物流运输等领域一直有着极其广泛的应用。
单片机芯片内部集成了ROM/EPROM、RAM、总线、总线逻辑、定时/计数器、看门狗、I/O、串口、脉宽调制输出、A/D、D/A、Flash RAM和EEPROM等，支持I 2 C、CAN总线和LCD等各种必要的功能和接口。
嵌入式微控制器的典型产品包括8051、MCS-251、MCS-96/196/296、P51XA、C166/167、68K系列及MCU 8XC930/931、C540和C541等。
嵌入式数字信号处理器（Embedded Digital Signal Processor，EDSP）是专门用于信号处理方面的处理器，在系统结构和指令算法方面进行了特殊设计，具有很高的编译效率和指令执行速度。在数字滤波、快速傅里叶变换（FFT）和谱分析等各种仪器上，DSP获得了大规模的应用。
DSP的理论算法在20世纪70年代就已经出现，但是由于专门的DSP处理器还未出现，所以这种理论算法只能通过微处理器（MPU）等分立元件实现。MPU较低的处理速度无法满足DSP的算法要求，其应用领域仅仅局限于一些尖端的高科技领域。随着大规模集成电路技术发展，1982年世界上诞生了首枚DSP芯片，其运算速度比MPU快了几十倍，在语音合成和编码解码器中得到了广泛应用。至20世纪80年代中期，随着CMOS技术的进步与发展，第二代基于CMOS工艺的DSP芯片应运而生，其存储容量和运算速度都得到成倍提高，成为语音处理和图像硬件处理技术的基础。到20世纪80年代后期，DSP的运算速度进一步提高，应用领域也扩大到了通信和计算机方面。20世纪90年代后，DSP发展到了第五代产品，广泛应用于数码产品和网络接入。2006年，TI公司推出了TMS320C62X/C67X、TMS320C64X等第六代DSP芯片，集成度更高，使用范围也更加广阔。
比较有代表性的嵌入式数字信号处理器是TI公司的TMS320系列和Motorola公司的DSP56000系列。TMS320系列包括用于控制的C2000系列、移动通信的C5000系列，以及性能更高的C6000和C8000系列。DSP56000系列目前已经发展成为DSP56000、DSP56100、DSP56200和DSP56300几个不同系列的处理器。另外，Philips公司也推出了基于可重置技术的嵌入式数字信号处理器结构，并且使用低成本、低功耗技术制造出了REAL DSP处理器，其特点是具备双哈佛结构和双乘/累加单元，致力于面向大批消费类产品市场。
嵌入式微处理单元（Embedded Microprocessor Unit，EMPU）是将运算器和控制器集成在一个芯片内的集成电路。采用微处理单元构成计算机必须外加存储器和I/O接口。在嵌入式应用中，一般将微处理单元、ROM、RAM、总线接口和各种外设接口等器件安装在一块电路板上，称为单板机（Single-Board Computer，SBC）。
嵌入式微处理器的特征是具有32位以上的处理器，具有较高的性能，当然其价格也相应较高。但与计算机通用处理器不同的是，在实际嵌入式应用中，只保留和嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，这样就以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。与工业控制计算机相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高的优点。主要的嵌入式处理器类型有MIPS、ARM系列等。其中ARM是专为手持设备开发的嵌入式微处理器，属于中档的价位。
ARM处理器同其他嵌入式微处理器一样，属于精简指令集计算机（RISC）处理器，而通常所用的计算机上的CPU是复杂指令集计算机（CISC）处理器。RISC处理器多用在手机或者移动式便携产品上，特点是单次执行效率低，但是执行次数多。CISC处理器的特点是单次执行效率高，但是执行次数少。
ARM内核分为ARM7、ARM9、ARM10、ARM11及StrongARM等几类，其中每一类又根据其各自包含的功能模块而分成多种类型。常用的ARM7体系结构的芯片有Cirrus Logic公司的CL-PS7500FE/EP7211、Hyundai公司的GMS30C7201、Linkup公司的L7200，以及Samsung公司的KS32C4100/50100等。此外，TI、LSI Logic、NS、NEC和Philips等公司也生产相应的ARM7芯片。这些芯片虽然型号不同，但在内核上是相同的，因而在软件编程和调试上是相同的，被广泛应用于PDA、机顶盒、DVD、POS、GPS、手机及智能终端等设备上。
片上系统（System on Chip，SoC）的设计技术始于20世纪90年代中期。随着半导体工艺技术的发展，大规模复杂功能的集成电路设计能够在单硅片上实现，SoC正是在集成电路（IC）向集成系统（IS）转变的大方向下产生的。1994年Motorola发布的Flex Core系统（用来制作基于68000和PowerPC的定制微处理器）和1995年LSI Logic公司为Sony公司设计的SoC，可能是基于知识产权（Intellectual Property，IP）核完成SoC设计的最早报道。IP核是指具有确定功能的IC模块。由于SoC可以充分利用已有的设计积累，显著提高了ASIC的设计能力，因此发展非常迅速。
片上系统也称为系统级芯片，它是一个产品，是一个有专用目标的集成电路，其中包含完整系统并有嵌入软件的全部内容。同时它又是一种技术，用以实现从确定系统功能开始，到软/硬件划分，并完成设计的整个过程。从狭义角度讲，它是信息系统核心的芯片集成，是将系统关键部件集成在一块芯片上。从广义角度讲，SoC是一个微小型系统，如果说中央处理器（CPU）是大脑，那么SoC就是包括大脑、心脏、眼睛和手的系统。SoC的定义是：将微处理器、模拟IP核、数字IP核和存储器（或片外存储控制接口）集成在单一芯片上，是一种客户定制的或者面向特定用途的标准产品。
SoC定义的基本内容主要表现在两方面：一是其构成；二是其形成过程。SoC的构成可以是系统级芯片控制逻辑模块、微处理器/微控制器CPU内核模块、数字信号处理器DSP模块、嵌入的存储器模块、外部进行通信的接口模块、含有ADC /DAC的模拟前端模块、电源、功耗管理模块、用户定义逻辑（它可以由FPGA或ASIC实现），以及微电子机械模块。无线SoC还具有射频前端模块。更重要的是，一个SoC芯片内嵌有基本软件（RDOS或COS及其他应用软件）模块或可载入的用户软件等。
SoC设计的关键技术主要包括总线架构技术、IP核可复用技术、软硬件协同设计技术、SoC验证技术、可测性设计技术、低功耗设计技术和超深亚微米电路实现技术等，此外，还有嵌入式软件移植和开发研究，是一门跨学科的新兴研究领域。
SoC按指令集主要划分为x86系列（如SiS550）、ARM系列（如OMAP）、MIPS系列（如Au1500）和类指令系列（如M3 Core）等几类。国内研制开发者的研究主要基于后两者，如中国科学院计算所中科SoC（基于龙芯，兼容MIPSⅢ指令集）、北大众志（定义少许特殊指令）、方舟2号（自定义指令集）和国芯C3 Core（继承M3 Core）等。