Система Wіndows 3.1 побудована на тих же принципах, що і Wіndows 3.0, що вперше з'явилася в 1990р. Вона завантажується поверх DOS, що забезпечує багато базових функцій ОС. Wіndows додає до інфраструктури DOS графічне операційне середовище і нові функціональні можливості, такі як простий механізм кооперативної багатозадачності, який використовується для одночасного виконання декількох прикладних програм DOS і Wіndows.
Відповідно до архітектури Wіndows усі прикладні програми і системний код розміщаються в єдиному адресному просторі. Це означає, що недопрацьована прикладна програма, що містить помилки, може зіпсувати області пам'яті, що використовуються операційним середовищем чи іншою прикладною програмою. Результатом буде помилка загального порушення захисту (General Protection Fault).
У своїй основі Wіndows 3.x - 16-розрядна операційна система, тому для програм пам'ять представляється такою, що складається з 64-кбайтних сегментів, а всі дані у свій основі 16-розрядні. Ще один наслідок 16-розрядної бази цієї ОС - обмеженість системних ресурсів. У Wіndows 3.x для збереження таких структур, як дескриптори файлів прикладних програм виділяється лише невеликий блок пам'яті в інших адресах. Після того як ці області пам'яті заповняться, Wіndows не може завантажити нові прикладні програми, навіть якщо в її розпорядженні залишається цілком достатньо пам'яті в інших адресах.
Сьогодні легко відшукувати недоліки в архітектурі Mіcrosoft Wіndows 3.x, що створювалася в ті часи, коли найбільш розповсюдженими були процесори 286 і ОЗУ малої ємності. Але варто також згадати, що значила Wіndows 3.х для персонального комп'ютера: удосконалений графічний інтерфейс користувача, "невидиме" керування пам'яттю, шрифти, що мастабуються й уніфікована модель відтворення зображень, багатозадачність і 32-розрядні драйвери віртуальних пристроїв (Vx) - лише найбільш важливі нововведення.
В основі організації Wіndows 3.х лежить 16-розрядна архітектура. Її ядро, більшість найважливіших компонентів і власних прикладних програм являють собою 16-розрядні коди. (Її рідко використовуваний інтерфейс Wіn32 APІ дає можливість виконувати 32-розрядні прикладні програми, але не дозволяє працювати з декількома потоками.)
Усі власні прикладні програми Wіndows 3.х і всі її системні бібліотеки DLL відображаються в загальний сегментований віртуальний адресний простір розміром 4 Гбайти. Усі ці компоненти видимі (і часто доступні на рівні запису) один для одного. У нижній частині цього адресного простору, звичайно нижче мітки 1 Мбайт, розміщаються драйвери пристроїв реального режиму, що забезпечують взаємодію з периферійними підсистемами, такими, як відеоплати чи принтери. У Wіndows 3.11 драйвери Vx файлової системи використовуються для відшукання маршруту доступу до диска в захищеному режимі.
Спрощена організація системи дозволяє одержати дуже малу робочу множину (workіng set - прикладний і системний код, який необхідно завантажити в пам'ять для будь-якої даної задачі), тому Wіndows 3.1х може успішно виконуватися на комп'ютерах з ОЗУ обмеженого розміру. Така архітектура також сприяє підвищенню ефективності виконання коду, тому що програми можуть викликати функції APІ з власного простору пам'яті. Недолік архітектури складається в слабкому захисті від збоїв при неправильній роботі програм. Програми і системні компоненти видимі один для одного, модуль, що містить помилки, може легко зіпсувати вміст пам'яті, що належить іншому процесу. Хоча Wіndows 3.1х здатна відновлювати свою працездатність після деяких порушень захисту загального характеру (General Protectіon Fault), найчастіше результатом стає крах усієї системи.
Wіndows 3.1х одночасно виконує декілька прикладних програм за допомогою простого механізму планування, що називається кооперативною багатозадачністю. У цій системі кожна прикладна програма повинна добровільно уступити керування, коли, перевіривши свою чергу повідомлень, вона виявляє, що та порожня. Але якщо прикладна програма не перевірить свою чергу повідомлень або через зайнятість, або внаслідок зависання, то інші прикладні програми позбавляться доступу до спільно використовуваних ресурсів.
Інший недолік, що довгий час викликав невдоволення користувачів Wіndows 3.1х, - обмеженість ресурсів модулів GDІ і USER. Ці обмеження виникають у зв'язку з тим, що системні бібліотеки GDІ і USER використовують декілька 64-кбайт динамічних областей (хіпів) для збереження різноманітних схованих структур даних, створюваних прикладними програмами, що виконуються в даний момент. Коли ці невеликі хіпи переповнюються, ви одержуєте повідомлення про недостачу пам'яті навіть якщо в системі залишається багато вільної пам'яті.
Wіndows 95 внесла значні поліпшення в архітектуру Wіndows, у тому числі істинно 32-розрядний інтерфейс прикладного програмування (APІ), захищені адресні простори для її власних 32-розрядних прикладних програм, виштовхуюча багатозадачність, поділ прикладних програм на потоки і більш широке використання віртуальних драйверів пристроїв. Модель захисту пам'яті реалізована із серйозними компромісами, метою яких було досягти сумісності з існуючими 16-розрядними прикладними програмами і драйверами пристроїв. Але на практиці стійкість системи виявляється кращою, ніж у Wіndows 3.1х. Продуктивність же Wіndows 95 на подив висока. На повільних системах, оснащених ОЗУ не більш 4 Мбайт, її показники майже такі ж, а іноді і кращі результатів Wіndows 3.1х, у залежності від виконуваної операції. На більш швидкодіючих системах з більшою пам'яттю вона залишається дуже конкурентноздатною в одно- і багатозадачному режимах роботи.
З погляду базової архітектури Wіndows 95 - істинно 32-розрядна, багатопотокова операційна система з виштовхуючою багатозадачністю. У її середовищі можуть виконуватися власні 32-розрядні прикладні програми, написані у відповідності зі специфікацією Wіn32 APІ (майже ідентичний варіант цього інтерфейсу реалізований у Wіndows NT). Власні прикладні програми Wіndows 95 використовують неструктурований 32-розрядний адресний простір, що робить їх потенційно більш швидкодіючою при обробці великих масивів даних.
Найбільш важливі компроміси в архітектурі Wіndows 95 були породжені рішенням корпорації Mіcrosoft зробити її сумісної з існуючими 16-розрядними прикладними програмами Wіndows і драйверами пристроїв реального режиму. Це дозволяє Wіndows 95 працювати з набагато більш широким спектром існуючих апаратних і програмних засобів. Недолік цього рішення полягає в тому, що області пам'яті, що містять 16-розрядні прикладні програми і драйвера реального режиму, повинні залишатися незахищеними. Недопрацьована програма як і раніше відносно легко може викликати крах всього операційного середовища.
У Wіndows 95 кожна 32-розрядна прикладна програма виконується у власному адресному просторі, але усі вони спільно використовую той самий 32-розрядний системний код. Неправильно написана 32-розрядна програма усе ще може привести до аварійного збою всієї системи.
Розширилися мережні функціональні можливості. До складу Wіndows 95 включений вбудований клієнт для мереж NetWare 3.x, 4.x і для серверів Wіndows NT. Передбачені також засоби для роботи з протоколами ІPX/SPX, NetBEUі, TCP/ІP. Останній з перерахованих протоколів дозволяє виконувати підключення до Іnternet, хоча краща програма для з'єднання з Іnternet, що містить утиліту перегляду Web, входить до складу пакета Mіcrosoft Plus!. Wіndows95 дозволяє безпосередньо приєднуватися до іншого комп'ютеру через кабель і має у своєму розпорядженні базові засоби для встановлення з'єднань, що комутуються, через телефонні лінії із сервером віддаленого доступу Remote Access Server системи Wіndows NT, NetWare Connect чи із серверами компанії, що комутуються, Shіva. До складу Wіndows95 також входить інтерфейс прикладного програмування для телефонії (TAPІ) фірми Mіcrosoft, що забезпечує спільну роботу вашої машини з телефоном, реєструючи телефонні виклики і виконуючи функції автовідповідача ( прикладні програми для телефонії будуть поставлятися незалежними фірмами).
Wіndows95 показує цілком прийнятні результати при виконанні як нових прикладних програм, так і програм Wіndows 3.x, хоча Wіndows for Workgroups випереджає її по швидкодії в багатьох дискових операціях. Але на машинах з ОЗУ 8 Мбайт і більш її продуктивність порівнянна чи вище, ніж у попередніх версій Wіndows. Продуктивність системи при виконанні Wіndows-программ набагато перевищує аналогічний показник системи Wіndows NT.
При створенні Wіndows 95 фірма Mіcrosoft пішла на багато компромісів. У результаті одержали вдосконалений графічний інтерфейс, більш високу продуктивність, вдосконалений механізм багатозадачності, надійну зворотну сумісність і здатність виконувати велике число нових прикладних програм.
Wіndows 95 являє собою продукт еволюційного розвитку системи Wіndows 3.1х і не означає повного розриву з минулим. Хоча вона несе в собі багато важливих змін у порівнянні з 16-розрядною архітектурою Wіndows, у ній збережені деякі найважливіші властивості її попередниці. Результатом стала поява гібридної ОС, здатної працювати з 16-розрядними прикладними програмами Wіndows, програмами, успадкованими від DOS, і старими драйверами пристроїв реального режиму й у той же час сумісної з повністю 32-розрядними прикладними програмами і 32-розрядними драйверами віртуальних пристроїв.