Cuando llega una solicitud de acceso a la memoria al sistema, el procesador primero verifica el TLB para ver si la dirección virtual requerida ya está almacenada en él. Si se encuentra una coincidencia, la dirección física a la que se asigna la dirección virtual se puede obtener directamente del TLB, evitando la necesidad de una referencia más lenta a la tabla de páginas.
El uso de un TLB mejora la eficiencia de la gestión de la memoria virtual al reducir la latencia y la sobrecarga asociada con la traducción de direcciones virtuales a físicas. Al mantener un registro de las direcciones traducidas recientemente en una estructura de memoria rápida dedicada, el sistema puede evitar la necesidad de consultar tablas de páginas más extensas y, al mismo tiempo, proporciona un rendimiento rápido de traducción de direcciones de memoria virtual. Esta traducción de direcciones optimizada mejora el rendimiento general y la capacidad de respuesta de diversas aplicaciones de software que requieren importantes actividades de acceso a la memoria, lo que conduce a una mejor experiencia general del sistema.