Để đạt được hiệu suất cao hơn, bộ vi xử lý có thể làm việc nhiều hơn hoặc làm việc thông minh hơn. Đẩy tần số hoạt động cao hơn có thể làm tăng hiệu suất nhưng cũng đi kèm với việc tiêu thụ năng lượng nhiều hơn và việc thiết kế cũng phức tạp hơn. Nói cách khác, cùng thực hiện những tác vụ đó nhưng bằng cách nâng cao hiệu quả tính toán trong khi vẫn hoạt động ở tần số thấp sẽ dẫn đến sự đơn giản hóa trong việc thiết kế và ít tốn năng lượng hơn. Trung tâm của bộ vi xử lý Cortex-M3 là một lõi có cấu trúc đường ống tiên tiến 3 tầng, dựa trên kiến trúc Harvard, kết hợp nhiều tính năng mới mạnh mẽ như suy đoán việc rẽ nhánh, phép nhân được thực thi trong một chu kỳ và phép chia được thực hiện bằng phần cứng tạo nên một hiệu năng vượt trội. Bộ vi xử lý Cortex-M3 hỗ trợ kiến trúc tập lệnh Thumb-2 , giúp nó hoạt động hiệu quả hơn 70% cho mỗi MHz so với một bộ vi xử lý ARM7TDMI-S thực thi với tập lệnh Thumb, và hiệu quả hơn 35% so với bộ xử lý ARM7TDMI-S thực thi với tập lệnh ARM.
