三星note3在上市的版本中，一共使用了两款CPU处理器。分别是搭载三星 Exynos 5 Octa 5420双四核心处理器和2.3GHz高通骁龙800四核芯处理器。
三星 Exynos 5 Octa 5420，这种8核处理器使用一种新的架构，能够在不减少电池使用寿命的情况下提供更多的性能。这种Exynos 5 Octa处理器芯片实际上是在一个芯片封装中包含两个四核芯片。四个高性能内核用于游戏和视频重放等繁重的任务。
骁龙800系列处理器配备异步四核Krait 400 CPU，在骁龙S4 Pro处理器的基础上，性能提升最高达百分之七十五，并将制程技术进一步提升到28纳米HPM，技术节点，功耗更低。Krait是异步对称多处理架构，提供每核峰值性能的动态功率感知和控制，无需使用其它专用核心即可延长电池续航时间。