Die PSP wird von einem einzelnen MIPS R4000 32-Bit-Mikroprozessor angetrieben, der mit einem 90-nm-Kupfer-Prozess hergestellt wird. Die Taktfrequenz beträgt 333 MHz, die maximale Bus-Geschwindigkeit 166 MHz. Um die Akkulaufzeit der Konsole zu verbessern, wurden diese Frequenzen an den Einsatzzweck angepasst.

Der Prozessor ist zweigeteilt. Der erste Teil, die Game Processing Unit (GPU), enthält die Grafik-Engine sowie das I/O-Management (USB, Memory Stick, IrDA, etc.). Der zweite wird als Media Processing Unit (MPU) bezeichnet. Sie enthält den H.264-Hardware-Kompressions- und Dekompressions-Beschleuniger sowie die VME (Virtual Mobile Engine). Die VME ist ein vollständig konfigurierbares Modul, welches sich an die Anforderungen von Audio- und Video-Wiedergabe anpassen lässt. Der Onboard-Speicher für den Prozessor heißt eDRAM, wovon es 4 MB gibt - die eine Hälfte wird von der GPU verwendet, die andere von der MPU. In Sachen reiner 3D-Performance behauptet die PSP, 35 Millionen Polygone pro Sekunde und eine Pixel-Füllrate von 664 Millionen Pixel pro Sekunde zu schaffen.