Hệ điều hành được phát triển hơn 45 năm qua với hai mục đích chính. Mục đích thứ nhất, hệ điều hành cố gắng lập thời biểu các hoạt động tính toán để đảm bảo năng lực thực hiện của hệ thống là tốt. Mục đích thứ hai, nó cung cấp một môi trường tiện dụng để phát triển và thực thi chương trình. Ban đầu, hệ thống máy tính được dùng từ một màn hình và bàn phím (thiết bị đầu cuối). Các phần mềm như bộ hợp ngữ (assembler), bộ nạp (loader), bộ liên kết (linkers) và các trình biên dịch (compiler) cải tiến sự tiện dụng của việc lập trình hệ thống nhưng cũng yêu cầu thời gian thiết lập đáng kể. Để giảm thời gian thiết lập, các phương tiện thuê người điều hành và các công việc tuơng tự được bó.

Các hệ thống xử lý theo lô cho phép sắp xếp công việc tự động bởi hệ điều hành và cải tiến rất nhiều việc tận dụng toàn bộ máy tính. Máy tính không còn phải chờ các thao tác của người dùng. Tuy nhiên, việc tận dụng CPU vẫn còn thấp vì tốc độ của thiết bị xuất nhập thấp hơn nhiều so với tốc độ của CPU. Thao tác ngoại vi (off-line operation) của các thiết bị chậm cung cấp một phương tiện sử dụng nhiều hệ thống bộ đọc tới băng từ (reader-to-tape) và băng từ tới máy in (tape-to-printer) cho một CPU. Để cải tiến toàn bộ năng lực thực hiện của hệ thống máy tính, người phát triển giới thiệu khái niệm đa chương để mà nhiều công việc có thể được giữ cùng lúc trong bộ nhớ tại cùng một thời điểm. CPU được chuyển qua lại giữa chúng để gia tăng việc tận dụng CPU và giảm toàn bộ thời gian được yêu cầu để thực thi các công việc.

Đa chương cũng cho phép chia sẻ thời gian. Hệ điều hành chia sẻ thời gian cho phép nhiều người dùng (từ một tới vài trăm) sử dụng hệ thống máy tính giao tiếp tại cùng một thời điểm.

PC là máy vi tính; chúng xem như nhỏ hơn và rẻ hơn hệ thống mainframe. Các hệ điều hành cho các máy tính này lợi hơn việc phát triển hệ điều hành cho máy tính mainframe trong nhiều cách. Tuy nhiên, vì mỗi cá nhân là người dùng duy nhất sử dụng máy tính nên việc tận dụng CPU không còn là mối quan tâm chủ yếu. Do đó, một vài quyết định thiết kế được thực hiện cho hệ điều hành cho máy mainframe có thể không phù hợp cho cả hệ thống nhỏ và lớn, hiện nay khi các PCs có thể được nối kết tới các máy tính khác và người dùng thông qua mạng và Web.

Các hệ song song có nhiều hơn một CPU trong giao tiếp gần; các CPU chia sẻ bus máy tính và đôi khi chia sẻ bộ nhớ và các thiết bị ngoại vi. Những hệ thống như thế có thế cung cấp thông lượng và khả năng tin cậy tăng. Các hệ thống phân tán cho phép chia sẻ tài nguyên trên những máy chủ được phân tán về mặt địa lý. Các hệ thống được nhóm cho phép nhiều máy thực hiện việc tính toán trên dữ liệu được chứa trên thiết bị lưu trữ chia sẻ và để việc tính toán tiếp tục trong trường hợp lỗi của tập hợp con các thành viên nhóm.

Một hệ thời thực cứng thường được dùng như một thiết bị điều khiển trong một ứng dụng tận hiến. Một hệ điều hành thời thực cứng có ràng buộc hoàn toàn xác định và thời gian cố định. Xử lý phải được thực hiện trong các ràng buộc được xác định hoặc hệ thống sẽ bị lỗi. Các hệ thống thời thực mềm có ràng buộc thời gian ít nghiêm khắc hơn và không hỗ trợ thời biểu tới hạn.

Gần đây sự tác động của Internet và World Wide Web khuyến khích sự phát triển của các hệ điều hành hiện đại. Các hệ điều hành này chứa các trình duyệt Web, mạng và phần mềm truyền thông như là các đặc điểm tích hợp.

Chúng ta đã thể hiện tiến trình luận lý của sự phát hệ điều hành, được định hướng bởi sự bao gồm các đặc điểm trong phần cứng CPU được yêu cầu cho chức năng tiên tiến. Xu hướng này có thể được thấy ngày nay trong cuộc cách mạng của PC, với phần cứng ngày một rẻ hơn và đang được cải tiến đủ để cho phép cải tiến các đặc điểm.