Egy mikrovezérlő architektúrája meghatározza annak felépítését, az utasításlészletét, az adatbuszok és regiszterek méretét, valamint a memóriamodellt. Az utasításkészlet tartalmazza, hogy a processzor milyen parancsokat képes végrehajtani. Az architektúra határozza meg a perifériák és az egyéb beágyazott funkciók támogatását is. A modern Intel és AMD alapú számítógépek x86-64 (röviden x64) architektúrát használnak.
Az egyszerűbb Von Neumann-modell közös memóriát használ az adatok és az utasítások kezeléséhez, emiatt egy buszrendszeren keresztül érhetők el. Ez rugalmasabb memóriahasználatot és olcsóbb hardvert jelent, de potenciálisabban lassabb működést is. A Harvard-modell különálló memóriában tárolja az adatokat és az utasításokat, így a két buszrendszer használatával a processzor gyorsabb lehet.
Korábban az Atmel, 2016-os felvásárlása óta a Microchip cég gyártja. Csökkentett utasításkészletű (RISC), és módosított Harvard architektúrát használ. Az általános célú regiszterek 8-bitesek. Beágyazott rendszerekben egyszerűbb feladatok ellátására alkalmas, egy AVR processzor van a népszerű Arduino Uno R3-ban is.
Az ARM Limited cég nem gyárt processzorokat, hanem fejlesztéseit licenceli gyártóknak. Az okostelefonok és modern Apple számítógépek is ARM architektúrájú processzort tartalmaznak. Mikrovezérlőkben is nagyon nagy az piaci részesedésük, a Reneas, STMicroelectronics, Raspberry Pi és számtalan gyártó az ARM Cortex-M családját használja. Ezek mind 32-bites processzorok, memóriamodelljük változó.
Ellentétben az ARM, Intel vagy AMD által használt utasításkészlet architektúrákkal (ISA), a RISC-V egy nyílt szabvány. Moduláris, nyílt forráskódú, testreszabható architektúra. Népszerűsége évről-évre nő, folyamatosan jelennek meg RISC-V processzorok okoseszközökhöz, szerverekhez és a szoftveres támogatás is fejlődik.
Az Esppressif Systems népszerű terméke az ESP32 mikrovezérlők családja. Ahogy a neve is sugallja, 32-bites magokat használ. Több termékük az ARM-hoz hasonló Tensilica cég Xtensa licencelt processzorát használja, mások RISC-V architektúrájúak. Az egyes modellek közötti kompatibilitást az ESP-IDF, az Espressif SDK-ja tartja fent, amely például képes beépülni az Arduino saját fejlesztőkörnyezetébe vagy a VS Code-ba is.