在高端的是大型机的操作系统，这些有一个房间大小的大型机依旧可以在一些大公司的数据中心找到。在I/O能力上大型机和个人电脑有着天壤之别。一台大型机拥有1000块磁盘，上百GB的数据也不奇怪；然而一台个人计算机有如此多的设备就不太正常了。有时大型机也用来做高端web服务器，为一些大型电子商务站点和B2B业务提供服务。
大型机的操作系统为同时运行多项工作而深度定制，其中的大多数都需要巨量的I/O。它们通常提供三种类型的服务：批处理，事务处理和分时。批处理是指一次处理多个工作而不需要与用户交互。
保险公司的请求处理以及连锁商店的销售报告一般来说是由批处理完成的。事务处理系统处理大规模的小请求，如检查银行记录或者机票余量。每个请求都不会耗费太多资源，但是系统必须一秒内处理成百上千的请求。分时系统允许多个远程用户同时运行任务，例如查询一个很大的数据库。这些功能关系比较明显；大型机操作系统一般同时扮演这几种角色。一个大型机操作系统的例子是OS/390，是OS/360的后继产品。然而大型机操作系统在逐渐被UNIX变体，如Linux所取代。