Le cœur du système est le microprocesseur Motorola 68030 cadencé ici à 16 MHz. Il développe environ 5,76 MIPS. Contrairement à ce que laissait entendre la brochure de l'époque, le Falcon n'est pas un véritable ordinateur 32 bits, même si le processeur est un véritable 32 bits (données et programmes), en fait il succède à la famille des Atari ST et il en reprend l'architecture à savoir un bus de données 16 bits et un bus d'adresses de 24 bits. D'ailleurs le connecteur d'extension est un bus 68000 et non 68030. Seul le processeur vidéo, le Videl, est interfacé en 32 bits avec la RAM. Les performances s'en ressentent, il est impossible de bénéficier du mode burst du 68030 et son maigre cache de 2×256 octets ne suffit pas à pallier ces déficiences.
Heureusement le microprocesseur est épaulé par un DSP Motorola 56001 cadencé à 32 MHz et qui développe pas moins de 16 MIPS. Bien qu'il soit orienté vers le traitement du son (il est directement relié à la RAM et au codec via une matrice d'interconnexion) il est aussi capable de prouesses dans les domaines graphiques (calcul de fractales, déformations, projections 3D, décompression JPEG...). Il est même capable conjointement avec le 68030 de jouer des fichiers MP3 en temps réel (logiciel FalcAmp), pas mal pour une machine de 1992 !
Une autre innovation (pour l'époque) c'est le Videl. Les possibilités offertes par ce processeur graphique ne sont limitées que par sa fréquence (25/32 MHz de base et pouvant monter à 50 MHz avec un accélérateur hardware) et la lenteur de la RAM car la mémoire graphique est partagée avec la mémoire du système ce qui peut dégrader les performances de manière importante lors de l'utilisation de résolutions élevées. Les paramètres sont nombreux, chaque timing d'une ligne vidéo (début, fin, nombre de pixels...) est réglable, l'image peut-être entrelacée ou non et la fréquence verticale peut descendre à 50 Hz en entrelacé permettant un affichage sur TV. Le nombre de couleurs aussi est ajustable et fonctionne en bitplane c'est-à-dire que les bits composant chaque couleur sont organisés par plan dans un souci de compatibilité avec la génération précédente mais ce mode est assez complexe à gérer. Il existe aussi un mode true color 16 bits (vraies couleurs) où les niveaux de rouge, vert et bleu sont directement écris dans les pixels permettant d'afficher 65536 couleurs simultanément. Ce mode est plus simple à gérer mais plus gourmand en ressources.
L'autre nouveauté chez Atari c'est l'adoption de l'IDE en plus du SCSI pour la gestion de disques durs et lecteurs CD-ROM. Cela a permis de connecter des disques bon marché et par la suite des lecteurs de CD-ROM, les périphériques SCSI restant relativement chers. Cependant le connecteur IDE est interne et oblige donc à changer de boîtier dès que l'on veut connecter deux disques durs ou un lecteur de CD-ROM. L'autre inconvénient est qu'un disque IDE utilise le processeur contrairement à un disque SCSI qui peut accéder directement à la RAM (DMA).