另外一种操作系统是实时操作系统（Real Time Operating System）。这类系统设计时就充分考虑了响应时间。例如在工业过程控制系统中，实时计算机就必须收集生产进度并且由此控制工厂的机器。这类型任务一般都有严格的时限要求。例如当一辆车在流水线上移动时，特定的步骤必须在指定时间前完成。如果焊接机器人的焊接太早或太晚，那么就会毁掉产品。若响应必须在一个指定时间内发生（或指定的时间范围），我们称之为硬实时（hard real-time）系统。这类系统多应用在工业过程控制，航空航天，军工等类似的环境。硬实时系统必须保证在确定的时间做出正确的动作。
软实时（soft real-time）系统并没有严格的响应时间。在这种应用环境中，轻微的失时是可接受的，不会导致永久损坏等不可接受的后果。数字多媒体系统就是一个典型案例。智能手机也是一个软实时系统。
因为硬实时系统必须满足严格的响应时间要求，有时操作系统就只是一个简简单单同应用程序链接在一起的库，结构紧凑并且系统之间没有保护。这种实时操作系统的一个例子是eCos。
手持系统，嵌入式系统和实时系统的概念是部分重合的。基本所有的这些系统都汲取了一部分软实时系统的观念。嵌入式和实时系统只运行由系统设计者植入的程序，用户不能自行添加，这在某些程度上降低了保护的压力。嵌入式和手持式系统主要是针对消费用户，而实时系统更多偏向于工业应用。但是无论如何，它们确实有很多共同点。