國際空間站的構型非常特別，它與目前已發射到太空的衛星、飛船、空間站的樣子都不一樣，它由用高科技材料製成的各種杆子組合搭建而成，也有人稱它為雙龍骨結構。整個空間站由12個艙組成，容積達1200立方米，總重量在450噸左右。
國際空間站這個龐大的桁架上裝有各種艙段和設備，其中包括了由美國負責製造的1個居住艙、1個試驗艙、桁架本體、氣閘艙、資源艙以及電源發動機等設備，另外還提供1個極軌平台。美國作為國際空間站的發起人在其中起著重要的作用，實際上充當領導者的角色，為空間站提供的設備最多。
由於俄羅斯人的加盟，國際空間站改為由兩大部分組成，一部分是原計劃的“自由號”空間站，另一部分是俄羅斯計劃發展的“和平2號”空間站。兩者之間用多功能艙進行連接，組成一個整體，這就使國際空間站的構型從桁架式變成了桁架加模塊式結構。俄羅斯人作為空間站技術的先驅者，其加盟無疑會發揮重要的作用，俄羅斯負責提供1個服務艙、1個節點艙、1個存儲艙、1個生命保障艙，另外還有3個研究艙等。
居住艙是宇航員生活和休息的地方，包括廚房、會議室、衛生間、臥室、醫療設備、鍛煉設備等。廚房裏烤爐、電冰箱、垃圾處理機、洗手池一應俱全。居住艙由美國承擔研製與發射到太空。
服務艙內含科學儀器設備等服務設施，也含一部分居住功能，由俄羅斯研製並已由俄羅斯“質子號”運載火箭於2000年7月12日發射升空。
功能貨艙內設有宇航員生命保障設施和一部分居住功能設施，以及電源、燃料暫存地等，艙體外部設有多向對接口，由俄羅斯研製並由俄羅斯於1998年11月20日發射升空。
試驗艙是進行各種科學試驗的場所，它是指揮和控製空間站的中心。試驗艙是世界上最高的試驗室。在這裏，可以進行生物、化學、物理、生態學和藥物學等方麵的研究，其中美國1個、歐空局1個、日本1個、俄羅斯3個。美國、日本和歐空局的3個試驗艙將提供總計為33個國際標準的有效載荷機櫃；俄羅斯試驗艙中也有20個試驗機櫃。除此之外，日本的試驗艙還連有站外暴露平台，用於對空間環境直接接觸試驗。據目前所知，由歐空局研製的哥倫布實驗艙已由“亞特蘭提斯號”於2008年2月11日發射升空；而由日本研製的一個實驗艙也已於2008年5月11日由“發現號”運載火箭將之發射升空。
節點艙由美國和歐空局研製，是連接各艙段的通道和宇航員進行艙外活動的出口。節點艙比較小，在空間站組建時期，它是宇航員進行艙外活動的出入口。空間站建成後，除用於連接各艙外，節點艙可以用做存儲倉庫，或安裝電力調節機櫃，提供電能。此外，節點1號艙還可作為倉庫，用於存儲；節點2號艙內有電路調節機櫃，用於轉換電能，供國際合作者使用；節點3號艙為空間站的擴展留有餘地。據目前資料顯示，由美國研製的“團結號”節點艙已由“奮進號”運載火箭於1998年12月4日發射升空。由意大利太空總署研製“和諧號”節點艙已由亞特蘭提斯號運載火箭於2007年10月23日發射升空。
空間站的服務係統包括俄羅斯功能貨艙、加拿大移動服務係統和俄羅斯服務艙。加拿大移動服務係統的遙控機臂長16．8米，能運125噸貨物，可沿主桁架移動，進行空間站硬件的裝配、維修和更換。俄羅斯服務艙擁有生命保障係統、推力器和居住設施（含洗手間和衛生設施），重20噸。空間站的運輸係統包括“聯盟號”載人飛船和“奮進號”運貨飛船等，其中後者每年為空間站運送4次推進劑。空間站的指令和控製由美、俄雙方分擔，美國約翰遜航天中心主要負責空間站和航天飛機，俄羅斯的加裏寧格勒航天中心主要負責載人飛船和運貨飛船飛向空間站，以及飛船飛離空間站，它也是空間站運行的後備控製中心。