64位作業系統是指特別為64位架構計算機系統而設計的作業系統。
64位作業系統的優點，在於能夠利用64位處理器的優勢，在處理多媒體內容時能夠有更佳的表現。
64位作業系統最早在中小型計算機上實現，主要是一些Unix系統。此後英特爾和惠普公司合作研製的IA-6464位處理器（代號 Itanium 2）推出後，出現了此平台上的64位Linux及微軟Windows作業系統（即基於IA-64的Windows XP 64位版本）。之後AMD推出了64位的X86-64架構CPU，很快就在Linux平台得到支持，並且微軟也提供了64位版本的Windows XP作業系統（全稱Windows XP Professional x64），使得IA-64位處理器日漸勢微。最終英特爾決定推出與AMD之前推出的AMD64相容的64位CPU，稱為Intel 64。
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