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在現今的CPU出現之前，如同ENIAC之類的電腦在執行不同程式時，必須經過一番線路調整才能啟動。由於它們的線路必須被重設才能執行不同的程式，這些機器通常稱為「固定程式電腦」（fixed-program computer）。而由於CPU這個詞指稱為執行軟體（電腦程式）的裝置，那些最早與儲存程式型電腦一同登場的裝置也可以被稱為CPU。

儲存程式型電腦的主意早已體現在ENIAC的設計上，但最終還是被省略以期早日完成。在1945年6月30日，ENIAC完成之前，著名數學家馮·紐曼發表名為"關於EDVAC的報告草案"的論文。它揭述儲存程式型電腦的計劃將在1949年正式完成(馮·紐曼1945)。EDVAC的目標是執行一定數量與種類的指令（或操作），這些指令結合產生出可以讓EDVAC執行的有用程式。特別的是，為EDVAC而寫的程式是儲存在高速電腦記憶體中，而非由實體線路組合而成。這項設計克服了ENIAC的某些局限——即花費大量時間與精力重設線路以執行新程式。在馮·紐曼的設計下，EDVAC可以藉由改變記憶體儲存的內容，簡單更換它執行的程式（軟體）。[註 1] 值得注意的是，儘管馮·紐曼由於設計了EDVAC，使得他在發展儲存程式型電腦上的貢獻最為顯著，但其他早於他的研究員如康拉德·楚澤（Konard Zuse）也提出過類似的想法。另外早於EDVAC完成，利用哈佛架構製造的馬克一號，也利用打孔紙帶而非電子記憶體用作儲存程式的概念。

馮·紐曼架構與哈佛架構最主要的不同在於後者將CPU指令與資料分開存放與處置，而前者使用相同的記憶體位置。大多近代的CPU依照馮·紐曼架構設計，但哈佛架構一樣常見。 身為數位裝置，所有CPU處理不連續狀態，因此需要一些轉換與區分這些狀態的基礎元件。在市場接受電晶體前，繼電器與真空管常用在這些用途上。雖然這些材料速度上遠優於純粹的機械構造，但是它們有許多不可靠的地方。例如以繼電器建造直流序向邏輯迴路需要額外的硬體以應付接觸點跳動問題。而真空管不會有接觸點跳動問題，但它們必須在啟用前預熱，也必須同時停止運作。[註 2]通常當一根真空管壞了，CPU必須找出損壞元件以置換新管。因此早期的電子真空管式電腦快於電子繼電器式電腦，但維修不便。類似EDVAC的真空管電腦每隔八小時便會損壞一次，而較慢較早期的馬克一號卻不太發生故障(Weik 1961:238)。但在最後，由於速度優勢，真空管電腦支配當時的電腦世界，儘管它們需要較多的維護照顧。大多早期的同步CPU，其時脈低於近代的微電子設計（見下列對於時脈的討論）。那時常見的時脈為100千赫茲到4百萬赫茲，大大受限於內建切換裝置的速度。