Cache bellek, işlemcinin hemen yanında bulunan ve RAM belleğe oranla daha düşük kapasiteye (günümüzde genellikle 3MB civarıdır. 6MB olanlarda bulunmaktadır.) sahip olmasına karşın daha hızlı olan bir bellek türüdür.
Cache bellek, işlemcinin sık kullandığı veri ve uygulamalara en hızlı biçimde ulaşmasını sağlamak üzere tasarlanmıştır. İşlemcinin cache belleğe erişmesi, RAM belleğe erişmesine oranla daha kısa zaman alır. Eğer aranan bilgi cache bellekte yoksa işlemci RAM belleğe başvurur. Burada önce cache belleğe bakmak çok kısa bir zaman alır.
Bunu şöyle açıklayabiliriz: Yiyecek bir şeyler almak için markete gitmeden önce buzdolabını kontrol edersiniz, eğer istediğiniz yiyecek dolapta varsa markete gitmezsiniz, yoksa bile olup olmadığını anlamak sizin çok kısa bir zamanınızı alır.
Ön bellek adeta işlemcinin "top 10" listesi gibi çalışır. Bellek kontrolörü işlemciden gelen istekleri önbelleğe kaydeder, işlemci her istekte bulunduğunda ön belleğe kaydedilir ve en fazla yapılan istek, listenin en üstüne yerleşir. Buna cache hit adı verilir. Ön bellek dolduğunda ve işlemciden yeni istem geldiğinde; sistem, uzun süredir kullanılmayan (listenin en altındaki) kaydı siler ve yeni istemi kaydeder.
Böylece sürekli kullanılan işlemler daima ön bellekte tutulur ve az kullanılan işlemler ön bellekten silinir. Ön bellek işlemciye yakınlığına göre farklı seviyeler ile adlandırılır. Örneğin, işlemciye en yakın ön bellek Level 1 (L1) Cache bir sonraki L2 Cache, sonraki L3 Cache biçiminde adlandırılır.