Wersja 64-bitowa jest w stanie obsłużyć o wiele więcej pamięci; mimo że teoretycznie komputer 64-bitowy może zaadresować około 16 eksabajtów (16 miliardów gigabajtów) pamięci, Windows XP Professional x64 Edition obsługuje w chwili obecnej pamięć o wielkości do 128 gigabajtów (237 bajtów) pamięci fizycznej i 16 terabajtów (244 bajtów) pamięci wirtualnej.
64-bitowe procesory obliczają dwa razy szybciej specyficzne zadania (np. silnię dużych liczb) korzystając z aplikacji 64-bitowych. 64-bitowy Kalkulator potrzebuje zwykle 50% czasu mniej niż 32-bitowy, obliczając silnię ze 100 000. Daje to odczucie teoretycznych możliwości architektury 64-bitowej w połączeniu z odpowiednim oprogramowaniem.
Kompatybilność z aplikacjami 32-bitowymi Windows XP x64 Edition korzysta z technologii WOW64, zezwalającej na uruchamianie aplikacji 32-bitowych. Po raz pierwszy technologia ta została zastosowana w systemie Microsoft Windows XP 64-bit Edition, później została jednak zaadaptowana również w wersji "x64" systemu Windows Server 2003.