Был выпущен в сентябре 2003 одновременно с Athlon 64 в качестве его более производительного аналога и главного конкурента Pentium 4 Extreme Exition. Был ориентирован, в первую очередь, на развлечения и профессиональные приложения, требующие больших вычислительных ресурсов. Первая модель была основана на ядре Sledgehammer и изготовлялась по 0, 13-микронной технологии. От Athlon 64 новый процессор отличала необходимость использования более дорогой и производительной регистровой памяти, а от ранее вышедшего Opteron — отсутствие поддержки многопроцессорности. Устанавливался процессор, как и Opteron, в Socket 940.
В отличие от Athlon 64, при маркировке Athlon FX не использовался рейтинг производительности, поскольку компания изначально позиционировала его как самый производительный процессор в мире. Вместо рейтинга использовались номера моделей, первыми из которых стали 51 (2, 2 ГГц) и 53 (2, 4 ГГц).
В июне 2004 появились новые модели, 53 (2, 4 ГГц) и 55 (2, 6 ГГц), основанные на ядре Clawhammer, использовавшемся до этого в Athlon 64. Эти процессоры устанавливались в Socket 939 и поддерживали системную шину с частотой 1 ГГц. В апреле 2005 вышли модели 55 (2, 6 ГГц) и 57 (2, 8 ГГц) с новым ядром Athlon 64 — San Diego, изготовляемые по 0, 09-микронной технологии. Размер кэш-памяти второго уровня у всех выпущенных моделей равнялся 1 мегабайту.
В январе 2006 появилась модель 60 (2, 6 ГГц) с двумя ядрами Toledo. Каждое ядро имело свою двухуровневую кэш-память того же размера, что и у одноядерных процессоров Athlon FX. В отличие от двухъхядерного Athlon 64 X2, 60-й модели не стали давать особенного имени.
На начало 2006 года, до выхода процессоров Intel Core 2 Extreme, Athlon 64 FX являлся самым дорогим и самым производительным процессором от AMD, и одним из самых быстрых в мире.