借鑒了工業流水線制造的思想，現代CPU也采用了流水線設計。在工業制造中采用流水線可以提高單位時間的生產量；同樣在CPU中采用流水線設計也有助於提高CPU的頻率。先以汽車裝配為例來解釋流水線的工作方式。假設裝配壹輛汽車需要4個步驟：1.沖壓：制作車身外殼和底盤等部件，2.焊接：將沖壓成形後的各部件焊接成車身，3.塗裝：將車身等主要部件清洗、化學處理、打磨、噴漆和烘幹，4.總裝：將各部件（包括發動機和向外采購的零部件）組裝成車；同時對應地需要沖壓、焊接、塗裝和總裝四個工人。采用流水線的制造方式，同壹時刻四輛汽車在裝配。如果不采用流水線，那麽第壹輛汽車依次經過上述四個步驟裝配完成之後，下壹輛汽車才開始進行裝配，最早期的工業制造就是采用的這種原始的方式。未采用流水線的原始制造方式，同壹時刻只有壹輛汽車在裝配。
不久之後就發現，某個時段中壹輛汽車在進行裝配時，其它三個工人處於閑置狀態，顯然這是對資源的極大浪費！於是開始思考能有效利用資源的方法：在第壹輛汽車經過沖壓進入焊接工序的時候，立刻開始進行第二輛汽車的沖壓，而不是等到第壹輛汽車經過全部四個工序後才開始。之後的每壹輛汽車都是在前壹輛沖壓完畢後立刻進入沖壓工序，這樣在後續生產中就能夠保證四個工人壹直處於運行狀態，不會造成人員的閑置。這樣的生產方式就好似流水川流不息，因此被稱為流水線。
CPU的工作也可以大致分為指令的獲取、解碼、運算和結果的寫入四個步驟，采用流水線設計之後，指令（好比待裝配的汽車）就可以連續不斷地進行處理。在同壹個較長的時間段內，顯然擁有流水線設計的CPU能夠處理更多的指令。