Los sistemas operativos monolíticos se caracterizan por implementar en el núcleo los cuatro componentes fundamentales del sistema operativo, que son la planificación de procesos, la administración de la memoria principal, la administración de ficheros y la gestión de los dispositivos de entrada/salida.
Los sistemas operativos de propósito general son predominantemente monolíticos hoy día, algunos ejemplos son:
Como inconveniente, este tipo de sistemas operativo dispone de un alto número de líneas de código ejecutándose en modo privilegiado. Por ello, un error de programación en el núcleo puede provocar un kernel panic. Además, el hecho de añadir nuevas funcionalidades provocaría una nueva recompilación del núcleo llevando a reiniciar el sistema para que se apliquen los nuevos cambios. Por ejemplo, un bug en el núcleo de un sistema operativo monolítico obliga a tener que reiniciar el sistema. En un sistema operativo monolítico, el código del núcleo se incluye en un único fichero binario que se carga en memoria principal en tiempo de arranque, por tanto, si se instala una nueva imagen, es necesario reiniciar el sistema operativo para que se inicie con la nueva versión que incluye la imagen actualizada.
Como principal ventaja, los sistemas operativos monolíticos ofrecen un alto rendimiento puesto que las peticiones entre los diferentes componentes se reducen a invocaciones de funciones.