La CPU è il cervello del PLC. La CPU è una scheda complessa basata su un microprocessore con un sistema operativo proprietario, e con una zona di memoria a disposizione del programma utente, cioè del programma di automazione.
La memoria utente è spesso esterna come ad esempio nel caso di memoria EPROM. Il vantaggio di una memoria esterna è legata alla semplicità di programmazione o di modifica dello stesso.
La CPU durante il funzionamento a regime, colloquia con tutte le schede connesse sul BUS del PLC, trasferendo dati e comandi sia verso il mondo esterno, sia dal mondo interno.

Una delle caratteristiche peculiari delle CPU dei PLC è la loro capacità di poter gestire le modifiche del programma di gestione del processo durante il normale funzionamento. Questa possibilità è estremamente utile nel caso di impianti che devono essere sempre attivi.

All'interno della CPU sono varie parti, tra cui:
- unità di gestione, ovvero informazioni di gestione del PLC stesso, impostate dal costruttore e trasparenti all'utente;
- archivio di temporizzatori e contatori funzionali all'operatività del PLC;
- memorie immagine del processo, cioè le informazioni in ingresso ed i comandi in uscita del processo;
- memoria utente, in cui vengono scritti i programmi che il PLC deve eseguire;
- interfaccia per il dispositivo di programmazione, che comunica con gli strumenti di programmazione;
- bus dati, comando, indirizzi per la veicolazione dei dati fra le varie parti e con l'esterno della CPU.