Die SOA-Architektur stellt eine Modularisierung der Prozesse und Systeme sowie deren Verknüpfung mittels Webservices dar. Auf dieser Basis können Unternehmen nahezu in Echtzeit agieren und in kürzester Zeit auf Abweichungen reagieren. Bei der SOA-Architektur werden Prozesse betrachtet, die über verschiedene Anwendungen realisiert werden, und keine einzelnen Applikationen. Die zugrundeliegende IT-Architektur fungiert als Informationsdrehscheibe, auf der die Prozesse abgewickelt werden. Dadurch kann jedes Modul eines Prozesses unabhängig von anderen Modulen verändert werden. In der SOA-Architektur werden Funktionen als Services angelegt und von den Anwendungen gemeinsam genutzt. Die Applikationen greifen mit Hilfe einer serviceorientierten Middleware-Infrastruktur auf diese Services zu. Dabei unterscheidet SOA zwischen wiederverwendbaren, gemeinsamen Diensten, wie beispielsweise der Nutzung einer Adresse für mehrere verschiedene Anwendungen, und Anwendungen, die Dienste gemeinsam verwenden. Da die SOA-Architektur über standardisierte Webservices kommuniziert, entfallen hersteller- und plattformabhängige Einschränkungen. Als mögliche Plattformen für SOA-Architekturen sind u.a. der Java-Applikationsserver und .NET von Microsoft zu nennen. Als eine der relevantesten SOA-Ausprägung im Industrie 4.0-Umfeld kann sicher OPC-UA betrachtet werden.
Einsatzbereiche für Service Oriented Architecture (SOA) sind die Anwendungsintegration im Rahmen der Enterprise Application Integration (EAI), die Integration verteilter Systeme, verteilter Dienste und Webservices. Die Gestaltungsprinzipien serviceorientierter Architekturen (SOA) bilden eine wesentliche Voraussetzung für Industrie 4.0. Sowohl der Abschlussbericht zu den Umsetzungsempfehlungen für das Zukunftsprojekt Industrie 4.0 des Bundesministeriums für Forschung und Technologie als auch der VDI/VDE-Statusreport »Auf dem Weg zum Referenzmodell« fordern dazu auf, die entsprechenden SOA-Referenzmodelle zu prüfen, ob daraus Elemente für ein künftiges Referenzmodell Industrie 4.0 übernommen werden können. Serviceorientierten Architekturen können wichtige Vorarbeiten für die Realisation von Industrie 4.0 leisten.