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Un microcontrôleur intègre sur un unique die :
* un processeur (CPU), avec une largeur du chemin de données allant de 4 bits pour les modèles les plus basiques à 32 ou 64 bits pour les modèles les plus évolués ;
* de la mémoire vive (RAM) pour stocker les données et variables ;
* de la mémoire morte (ROM) pour stocker le programme. Différentes technologies peuvent être employées : EPROM, EEPROM, mémoire flash (la plus récente) ;
* souvent un oscillateur pour le cadencement. Il peut être réalisé avec un quartz, un circuit RC ou encore une PLL ;
* des périphériques, capables d'effectuer des tâches spécifiques. On peut mentionner entre autres :
o les convertisseurs analogiques-numériques (CAN) (donnent un nombre binaire à partir d'une tension électrique),
o les convertisseurs numériques-analogiques (CNA) (effectuent l'opération inverse),
o les générateurs de signaux à modulation de largeur d'impulsion (MLI, ou en anglais, PWM pour Pulse Width Modulation),
o les timers/compteurs (compteurs d'impulsions d'horloge interne ou d'événements externes),
o les chiens de garde (watchdog),
o les comparateurs (comparent deux tensions électriques),
o les contrôleurs de bus de communication (UART, I²C, SSP, CAN, FlexRay, USB, Ethernet, etc.).
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