В начале 90-х годов среди компаний-производителей видеоигр наметилась тенденция переходить с 16-битных систем на картриджах на 32-битные, использующие CD-ROM. Nintendo активно изучала возможность выпуска CD-ROM-приставки для своей консоли Super NES. Они даже запустили проекты по разработке с, что иронично, Sony и Philips, но их не устроила скорость загрузки CD-ROM-систем. Вместо этого Nintendo решила исследовать потенциал сочетания самого быстрого на тот момент носителя данных — игрового картриджа на основе кремния — с самым мощным для видеоигр компьютерным чипом: 64-битным процессором.

Председатель Nintendo of America, Говард Линкольн, объединился с Джимом Кларком, председателем Silicon Graphics, компании, которая делала спецэффекты для фильмов «Терминатор 2: Судный день» и «Парк юрского периода». Вместе они стремились разработать новую игровую систему, способную выдавать невероятную графику. Новая система изначально называлась «Project Reality» (Проект «Реальность»). Название «Project Reality» отсылало к «реальным» трёхмерным окружениям, которые, как они знали, можно было создать с помощью новой системы. Новая платформа должна была работать на мощном 100-мегагерцовом микропроцессоре MIPS RISC. Предвидя скорый закат существующих телевизионных стандартов, Nintendo позаботилась о том, чтобы «Project Reality» была совместима и с HDTV (телевидением высокой чёткости).

18 июля 1994 года Nintendo объявила, что их новая система, получившая название «Ultra 64» (позже переименованная в Nintendo 64), будет использовать технологию памяти DRAM на 500 МГц от Rambus, Inc. Эта высокая скорость доступа обеспечивала бы невероятно плавную трёхмерную графику.

Nintendo объявила, что выпустит систему Nintendo 64 для американских потребителей 21 апреля 1996 года по цене менее 250 долларов. Однако эта дата вскоре была отложена на пять месяцев, чтобы дать производителям достаточно времени для выпуска необходимого количества консолей, способного удовлетворить прогнозируемый потребительский спрос.

Когда система Nintendo 64 наконец вышла 29 сентября 1996 года, американским потребителям были доступны всего две игры: Super Mario 64 и Pilotwings 64. Nintendo пошла на рискованный шаг: в комплекте с консолью не было ни одного игрового картриджа. В оригинальной упаковке были только сама консоль, один серый контроллер и адаптер питания. Nintendo 64 дебютировала по розничной цене 199 долларов.

Система Nintendo 64 и игра Super Mario 64 получили восторженные отзывы критиков. Журнал Next Generation даже назвал Super Mario 64 «величайшей видеоигрой в истории».

В первый день продаж система Nintendo 64 разошлась тиражом в 500 000 единиц в Северной Америке. PlayStation понадобилось три месяца, чтобы продать столько же. К концу марта 1997 года Nintendo продала более 3,3 миллиона единиц своей новой системы.

Помимо очевидных графических инноваций, Nintendo 64 отличалась уникальным контроллером с четырнадцатью кнопками и аналоговым джойстиком по центру. Джойстик обеспечивает полный контроль над действиями на экране на 360°. На нижней части контроллера расположены быстродействующий «Z-триггер» и многопозиционная крестовина. Дополнительные контроллеры (в разных цветах) доступны по цене 25 долларов каждый.

Игроки могли подключить опциональный Controller Pak в слот для карт памяти на задней стороне контроллера Nintendo 64. Он хранил игровую статистику игрока, предпочтительные настройки кнопок контроллера и развитые характеристики персонажей.

В 1997 году президент Nintendo of America Минору Аракава анонсировал дополнительное устройство хранения данных для системы — Nintendo 64 Disk Drive (64DD). Известный также как “громоздкий” накопитель из-за своей большой или “объемной” емкости, 64DD был разработан как “перезаписываемое” устройство. Игроки могли бы модифицировать существующие игры, добавляя новых персонажей или дополнительные уровни. Этот накопитель устанавливался бы под консолью Nintendo 64 и подключался к расширительному разъему “EXT.” в нижней части системы. Магнитный диск мог бы вмещать 64 мегабайта. По размеру он был бы примерно как 3,5-дюймовая дискета, но вдвое толще. При установке в 64DD диск добавлял бы четыре мегабайта к основной памяти, тем самым увеличивая общий объем памяти системы до восьми мегабайт. Изначально Nintendo анонсировала, что первой игрой, использующей эту технологию, станет The Legend of Zelda: Ocarina of Time. Хотя 64DD изначально был анонсирован к выходу в 1997 году, Nintendo отменила свои планы по выпуску этого системного апгрейда в США.

23 ноября 1998 года Nintendo анонсировала выход Nintendo 64 Expansion Pak. Expansion Pak — это картридж оперативной памяти объемом четыре мегабайта, который устанавливается под съемной панелью, расположенной сверху консоли. Он также увеличивает общий объем оперативной памяти системы до восьми мегабайт и позволяет играть в некоторые игры Nintendo 64 в специальном режиме высокого разрешения. Розничная цена Expansion Pak составляла 29,95 доллара США. Первыми анонсированными играми, совместимыми с Expansion Pak, стали Star Wars: Rogue Squadron, NFL Quarterback Club 99 и Turok 2: Seeds of Evil.