Los tres elementos lógicos básicos AND, OR y NOT se combinan para formar circuitos más complejos que realizan operaciones útiles en los sistemas digitales. Las funciones lógicas más comunes son:
Compara dos cantidades binarias e indica su relación (mayor, igual o menor).
Suma, resta, multiplicación y división de números binarios.
Convierte entre distintos códigos binarios como BCD o código Gray.
Convierte información (p. ej., dígitos decimales) en código binario.
Convierte código binario en información no codificada, como dígitos decimales.
Multiplexación y demultiplexación para transmitir datos de varias fuentes.
Conserva datos binarios mediante flip-flops, registros y memorias.
Cuenta sucesos representados por cambios de nivel o impulsos.
El comparador compara dos números binarios aplicados a las entradas A y B, generando un nivel ALTO en la salida correspondiente (A>B, A=B o A<B). Por ejemplo, si A=2 y B=5, la salida A<B se pone a nivel ALTO.

La suma se realiza con un sumador que opera sobre entradas A, B y acarreo de entrada Cin, generando la suma (Σ) y un acarreo de salida Cout. Por ejemplo, 3+9=12.

La resta, multiplicación y división también se implementan con circuitos lógicos. Notablemente, la resta, la multiplicación y la división pueden realizarse usando un sumador junto con otros circuitos auxiliares.
El codificador convierte información (p. ej., un dígito decimal) en código binario. Un nivel ALTO en la entrada correspondiente genera el código binario apropiado en las salidas. La Figura ilustra un codificador que convierte la pulsación de una tecla de calculadora en código binario.

El decodificador convierte información codificada (código binario) en información no codificada (p. ej., dígito decimal). La Figura muestra un decodificador que activa un display de 7 segmentos: según el código binario en las entradas, se iluminan los segmentos apropiados para mostrar el dígito decimal correspondiente.

El multiplexor pasa datos de varias líneas de entrada a una única línea de salida según una secuencia temporal. El demultiplexor hace lo inverso. Cuando datos de distintas fuentes (A, B, C) se transmiten por una sola línea y se redistribuyen a varios destinos (D, E, F) en intervalos de tiempo Δt₁, Δt₂, Δt₃, el proceso se denomina multiplexación por división en el tiempo.

El almacenamiento conserva datos binarios durante un período de tiempo. Existen dispositivos para almacenamiento temporal (corto plazo) y permanente (largo plazo).
Circuito biestable que almacena un único bit (0 ó 1). Una salida ALTO indica que se almacenó un 1; BAJO indica un 0. Se implementan con puertas lógicas.
Combinación de varios flip-flops para almacenar grupos de bits. Los registros de desplazamiento pueden ser serie (bits entran uno a uno) o paralelo (bits se almacenan simultáneamente).
ROM (datos permanentes o semipermanentes) y RAM (datos temporales, fácilmente modificables). Usadas para almacenar grandes cantidades de bits.
Discos duros, disquetes, cintas magnéticas y discos magneto-ópticos para almacenamiento masivo y copias de seguridad.
Los bits entran uno a uno, desplazándose hacia la derecha en cada ciclo hasta llenar el registro.

Todos los bits se almacenan simultáneamente desde líneas paralelas.

Los contadores digitales cuentan sucesos representados por cambios de nivel o impulsos. Para funcionar correctamente, el contador debe "recordar" el número actual y avanzar al siguiente de la secuencia. Los flip-flops son la base de su implementación.
