国际空间站总体设计采用桁架挂舱式结构，即以桁架为基本结构，增压舱和其它各种服务实施挂靠在桁架上，形成桁架挂舱式空间站。其总体布局如图所示。大体上看，国际空间站可视为由两大部分立体交叉组合而成：一部分是以俄罗斯的多功能舱为基础，通过对接舱段及节点舱，与俄罗斯服务舱、实验舱、生命保障舱、美国实验舱、日本实验舱、欧空局的“哥伦布”轨道设施。
等对接，形成空间站的核心部分；另一部分是在美国的桁架结构上，装有加拿大的遥操作机械臂服务系统和空间站舱外设备，在桁架的两端安装四对大型太阳能电池帆板。这两大部分垂直交叉构成“龙骨架”，不仅加强了空间站的刚度，而且有利于各分系统和科学实验设备、仪器工作性能的正常发挥，有利于宇航员出舱装配与维修等。 国际空间站的各种部件是由合作各国家分别研制，其中美国和俄罗斯提供的部件最多，其次是欧空局、日本、加拿大和意大利。这些部件中核心的部件包括多功能舱、服务舱、实验舱和遥操作机械臂等。俄罗斯研制的多功能舱(FGB)具有推进、导航、通信、发电、防热、居住、贮存燃料和对接等多种功能，在国际空间站的初期装配过程中提供电力、轨道高度控制及计算机指令；在国际空间站运行期间，可提供轨道机动能力和贮存推进剂。俄罗斯服务舱作为国际空间站组装期间的控制中心，用于整个国际空间站的姿态控制和再推进；它带有卫生间、睡袋、冰箱等生保设施，可容纳3名宇航员居住；它还带有一对太阳能电池板，可向俄罗斯部件提供电源。实验舱是国际空间站进行科学研究的主要场所，包括美国的实验舱和离心机舱、俄罗斯的研究舱、欧空局的“哥伦布”轨道设施和日本实验舱。舱内的实验设备和仪器大部分都是放在国际标准机柜内，以便于维护和更换。加拿大研制的遥操作机械臂长17.6米，能搬动重量为20吨左右、尺寸为18.3米×4.6米的有效载荷，可用于空间站的装配与维修、轨道器的对接与分离、有效载荷操作以及协助出舱活动等，在国际空间站的装配和维护中将发挥关键作用。 国际空间站由下列部分组成：俄罗斯进步－M45、联盟－TM23、进步－M－C01飞船，俄罗斯的晨星号服务舱、曙光号工作舱，美国的团结号连接舱和女神号实验舱、俄黎明号小型实验舱等。
空间站共有俄罗斯、美国、欧盟和日本发射的13个舱，重量400吨。
曙光号工作舱
曙光工作舱是国际空间站的第一个组件，由俄罗斯赫鲁尼切夫空间中心和美国波音公司共同研制而成。根据1995年8月签订的合同，赫鲁尼切夫中心负责货运舱的设计、生产和试验。赫鲁尼切夫中心于1996年11月27日，即比预定发射时间提前一年完成曙光号工作舱的组装工作。但由于国际空间站的其他一些部件没有完工，曙光号被两度推迟发射。
曙光号重量为24.2吨（其中包括4.5吨燃料），长13米，内部容积约72立方米（可用面积为40平方米）。它可以在不补充燃料的情况下连续飞行430昼夜。
曙光号一个与和平号空间站类似的大型舱体，用作空间站的基础，能提供电源、推进、导航、通信、姿控、温控、充压的小气候环境等多种功能。它由和平号空间站上的晶体舱演变而来，设计寿命13年，电源最大功率为6千瓦，装有可接4个航天器的对接件。
1998年11月20日，俄罗斯质子－K号火箭把曙光号送入预定轨道。
团结号节点舱 （unity node module）
团结号节点舱是美国为国际空间站建造的第一个组件，也是国际空间站的第二个组件。
团结号节点舱耗资3亿美元，直径5米、长6米，设有6个舱门。它的作用是充当对接口，连接未来升空的其它舱。
1998年12月4日，团结号随美国奋进号航天飞机升空。12月6日，团结号与曙光号对接。
星辰号服务舱 （zvezda （star） service module）
星辰号服务舱由俄罗斯承建，是国际空间站的核心舱。星辰号长13米，宽30米，重19吨，造价为3.2亿美元。
服务舱由过度舱、生活舱和工作舱等3个密封舱和一个用来放置燃料桶、发动机和通信天线的非密封舱组成。生活舱中设有供宇航员洗澡和睡眠的单独房间，舱内有带冰箱的厨房、餐桌、供宇航员锻炼身体的运动器械。舱体上设计的14个舷窗，可供宇航员眺望浩瀚的星空。
星辰号配有定位和电视联系系统，可保障服务舱与俄罗斯科罗廖夫地面飞行控制中心和美国休斯敦地面飞行控制中心的直接联系。
星辰号共有4个对接口，可用于接待载人飞船或货运飞船。
2000年7月12日，星辰号由质子－K火箭送入太空；26日，星辰号服务舱与国际空间站联合体对接。
命运号实验舱 （destiny laboratory module）
2001年2月7日，命运号实验舱随美国阿特兰蒂斯号航天飞机升空。命运号实验舱价值14亿美元，是国际空间站中最昂贵的组件。它由美国波音公司制造，形似圆筒，长9.3米、直径4.3米，重13.6吨，上有41.5万个零件。它不仅是未来空间站成员在接近零重力的状态下执行科学研究任务的基地，也将作为国际空间站的指挥和控制中心，是国际空间站6个实验室中最重要的实验舱之一。
莱奥纳尔多号多功能后勤舱 （leonardo multipurpose logistics module）
莱奥纳尔多号多功能后勤舱由意大利研制，价值1．6亿美元。它是一个由金属铝制成，长21英尺（约为6.4米）、直径为15英尺（约4.6米）的圆筒，分为16个货箱，能携带9.1吨货物。后勤舱可重复使用，其功能是为国际空间站运送必需的物资，再将空间站上的废弃物带回地面。
空气阻隔舱 （airlock）
空气阻隔舱又称压力舱，由金属铝制造，重约6吨，造价1．64亿美元。空气阻隔舱共有两个舱室，一个供宇航员执行太空行走任务之前更换宇航服，另一个为宇航员减压和漂浮到太空的接口。舱内有4个气罐，各重540千克，用于给空气阻隔舱加压。
2001年7月15日，空气阻隔舱由美国阿特兰蒂斯号航天飞机和国际空间站上的宇航员联合安装到空间站。空气阻隔舱是国际空间站与太空间的通道，是航天器有压空间与太空真空环境间的缓冲地带，它的安装使空间站内的宇航员不必再等航天飞机的到来就可以进行太空行走。
加拿大第二臂 （Canadarm2）
加拿大第二臂又被称为大臂，由高强度的金属铝、不锈钢和环氧石墨制成，长19米，重量为1.63吨。
这只长约17米的巨型机械臂的设计概念是1984年美国前总统里根提议建设自由空间站时产生的，其最初研制目的是，在航天飞机不能自行与空间站对接时依靠机械臂将航天飞机拉到空间站旁。加拿大第二臂由加拿大研制，并由美国奋进号航天飞机于2001年4月19日携带升空，22日被安装到国际空间站上。与多次随航天飞机升空执行任务的小机械臂相比，它不仅比多次随航天飞机升空执行任务的小臂更长，也更结实、更灵活。
码头多功能对接舱 （mooring compartment module）
码头多功能对接舱由俄罗斯能源火箭航天公司研制，重约4吨，体积为13立方米。对接舱一端与星辰号服务舱连接，另一端的对接装置能与进步系列货运飞船和联盟系列载人飞船对接。对接舱的一侧还有一个隔舱，当宇航员穿上宇航服，调节好隔舱中的气压后，就可以打开隔舱门进行太空行走。多功能舱对接舱有助于增加国际空间站与地面间的货物、人员运输。
码头多功能对接舱于2001年9月17日安装到国际空间站。
黎明号小型实验舱
俄黎明号小型实验舱在2010年5月由美阿特兰蒂斯号航天飞机运送至国际空间站。黎明号实验舱长约7米，重约7．8吨，主要用于科学实验。 整个空间站由众多组件构成： 组件 航次 运载者 发射时间 长度
（m） 直径
（m） 质量
（kg） 曙光号功能货舱 1 AR 质子号 1998年11月20日 12.56 4.11 （加注燃料）19,323（空）7983 团结号节点舱（1号节点舱） 2A - STS-88 奋进号 1998年12月4日 5.49（含2个PAM）10.4 4.57 11,612 星辰号服务舱 1R 质子号 2000年7月12日 13.1 4.15 19,050 国际空间站Z1 衍架 3A - STS-92 发现号 2000年10月11日 4.9 4.2 9,978 国际空间站P6 衍架及太阳能电池板 4A - STS-97 奋进号 2000年11月30日 73.2 11.6 15,815 命运号实验舱 5A - STS-98 亚特兰蒂斯号 2001年2月7日 8.53（含通用对接机构）9.2 4.27 （空）13,547（满载）24,023 外部装载平台1（ESP-1） 5A.1 - STS-102 亚特兰蒂斯号 2001年3月13日 2.44 0.46 未知 移动维修系统- 空间站遥控机械臂（加拿大臂2） 6A - STS-100 奋进号 2001年4月19日 17.6 0.35 1,796 寻求号气闸舱（联合气闸舱） 7A - STS-104 亚特兰蒂斯号 2001年7月12日 5.64 4 6,064 码头号对接舱- 码头号气密及对接舱 4R - 进步-M-SO1 进步号 2001年9月14日 4.91 2.56 （发射时）4,350（轨道中）3,580 国际空间站 S0衍架 8A - STS-110 亚特兰蒂斯号 2002年4月8日 13.4 4.6 12,623 移动维修系统- 机械臂移动平台 UF-2 - STS-111 奋进号 2002年6月5日 5.7 2.9 1,450 国际空间站S1衍架 9A - STS-112 亚特兰蒂斯号 2002年10月7日 （与P1组合）13.7 4.6 12,554 国际空间站 P1衍架 11A - STS-113 奋进号 2002年11月23日 （与S1组合）13.7 4.6 14,003 外部装载平台2（ESP-2） LF1 - STS-114 发现号 2005年7月26日 4.00 2.4 未知 国际空间站 P3、P4衍架及太阳能电池板 12A - STS-115 亚特兰蒂斯号 2006年9月9日 13.8 4.9 15,824 国际空间站 P5衍架 12A.1 - STS-116 发现号 2006年12月9日 3.4 4.5 1,864 国际空间站 S3、S4衍架及太阳能电池板 13A - STS-117 亚特兰蒂斯号 2007年6月8日 13.66 4.96 16,183 国际空间站 S5衍架 13A.1 - STS-118 奋进号 2007年8月8日 3.4 4.5 1,818 外部装载平台3（ESP-3） 13A.1 - STS-118 奋进号 2007年8月8日 4.9 3.65 3,400 和谐号节点舱（2号节点舱） 10A - STS-120 亚特兰蒂斯号 2007年10月23日 7.2 4.4 14,288 哥伦布实验舱 1E - STS-122 亚特兰蒂斯号 2008年2月7日 6.9 4.5 （空）10,300(发射）12,077 希望号日本实验舱- 实验储藏舱 1J/A - STS-123 奋进号 2008年3月11日 4.2 4.4 4,200 移动维修系统- 特殊微动作机械手 1J/A - STS-123 奋进号 2008年3月11日 3.67 2.30 1,560 希望号日本实验舱 1J - STS-124 发现号 2008年5月31日 11.19 4.39 14,787 希望号日本实验舱- 日本机械臂 1J - STS-124 发现号 2008年5月31日 10.0 0.35 780 国际空间站 S6衍架及太阳能电池板 15A - STS-119 发现号 2009年3月15日 13.84 4.97 14,089 希望号日本实验舱- 暴露实验平台 2J/A - STS-127 奋进号 2009年7月15日 5.20 5.00 4,082 迷你研究舱2 （探索号迷你研究舱） 5R - 进步-M-MIM2 进步号 2009年11月10日 4,00 2.6 3,670 宁静号节点舱（3号节点舱） 20A - STS-130 奋进号 2010年2月8日 6.706 4.480 19,000 穹顶舱 20A - STS-130 奋进号 2010年2月8日 1.500 2.955 1,880 微型研究舱1 （晨曦号微型研究舱） ULF4 - STS-132 亚特兰蒂斯号 2010年5月14日 6.00 2.35 （发射时）8,056
5,075 莱昂纳多永久补给舱 ULF5 - STS-133 发现号 2011年2月24日 6.4 4.6 (发射时）12,816（空）9，896 组装成功后的国际空间站将作为科学研究和开发太空资源的手段，为人类提供一个长期在太空轨道上进行对地观测和天文观测的机会。
在对地观测方面，国际空间站比遥感卫星要优越。首先它是有人参与到遥感任务之中，因而当地球上发生地震、海啸或火山喷发等事件时，在站上的航天员可以及时调整遥感器的各种参数，以获得最佳观测效果；当遥感器等仪器设备发生故障时，又可随时维修到正常工作状态；它还可以通过航天飞机或飞船更换遥感仪器设备，使新技术及时得到应用而又节省经费。用它对地球大气质量进行监测，可长期预报气候变化。在陆地资源开发，海洋资源利用等方面，也都会从中受益。国际空间站在天文观测上要比其他航天器优越得多，是了解宇宙天体位置、分布、运动结构、物理状态、化学组成及其演变规律的重要手段。因为有人参于观测，再加上空间站在太空的活动位置和多方向性，以及机动的观察测定方法，因而可充分发挥仪器设备的作用。通过国际空间站，天文学家不仅能获得宇宙射线，亚原子粒子等重要信息，了解宇宙奥秘，而且还能对影响地球环境的天文事件（如太阳耀斑、暗条爆发等）作出快速反应，及时保护地球，保护在太空飞行的航天器及其成员。
国际空间站上的生命科学研究，可分为人体生命与重力生物学两方面：人体生命科学的研究成果可直接促进航天医学的发展，例如，通过多种参数来判断重力对航天员身体的影响，可提高对人的大脑、神经和骨骼及肌肉等方面的研究水平。重力生物学和材料科学的研究与应用有广阔的前景，而国际空间站的微重力条件要比和平号空间站和航天飞机优越得多，特别是在材料发展上可能起到一次革命性的进展。
仅就太空微重力这一特殊因素来说，国际空间站就能给研究生命科学、生物技术、航天医学、材料科学、流体物理、燃烧科学等提供比地球上好得多、甚至在地球无法提供的优越条件，直接促进这些科学的进步。同时，国际空间站的建成和应用，也是向着建造太空工厂、太空发电站，进行太空旅游，建立永久性居住区（太空城堡）向太空其他星球移民等载人航天的远期目标接近了一步， 2014年从5月开始，国际空间站就开始了种植蔬菜的实验，如果成功了，那么美国宇航局可能创造历史，因为宇航员从来没吃过自己的太空种植的蔬菜，那些太空转基因的蔬果只提供给地面的科研机构。
空间站上的宇航员饮食问题目前已经得到了较好的解决，但仍然需要地面发射飞船进行补给，俄罗斯的货运飞船定期给空间站输送补给品，如果货运飞船没能进入轨道，那么宇航员的餐饮就要拮据了。现在，宇航员尝试自己在空间站上种植蔬菜，甚至可发展出自制的太空沙拉。
目前宇航员种植的蔬菜包括了西红柿、草莓等，但他们还将拓展自己的种植范围，可以种植各种各样的蔬果，之所以要在空间站上种植蔬菜，一来是因为这样可以解决自己的饮食问题，同时也可以研究太空种植蔬菜的方法，这可以不是单纯的科研产品，种植出来后需要自己消化掉。但是在微重力环境下种植蔬果存在许多问题，比如空间辐射可造成蔬菜变异，而且种植出来的蔬菜可能使其中的微生物变异，对人体构成危害。
通过此前的空间站蔬菜实验结果，美国宇航局禁止该机构的宇航员吃生菜，那些从空间站返回地面的蔬果出现不同程度的不可食用特征，最主要的还是空间辐射的问题，微重力环境使得蔬果长得不同地面种植。但是到今年年底，科学家开始测试新的空间站蔬果，目前宇航员已经开始了种植蔬菜行为。
宇航员在太空中的免疫力会出现下降，因此需要蔬菜来补充营养物质，如果不新鲜的蔬菜无法起到类似的效果。种植蔬菜时也会改善空间站的二氧化碳水平，可以帮助空气净化器过滤空间站上的异味，如果现在开始着手种植，那么等到生菜实验完全成功并制作成沙拉，可能还需要等上好几年的时间，这项实验也可以为未来登陆火星提供帮助。 2014年6月17日，美国航空航天局（NASA）发布了一张国际空间站内的照片，两名来自美国的宇航员与一名德国宇航员通过笔记本观看巴西世界杯的比赛。而美国与德国将在小组赛中遭遇。
巴西世界杯正在如火如荼的进行中，全世界的球迷都在关注着这项4年一度的足坛盛事。其实在距离地面250英里的太空中，宇航员们也在关心着世界杯，三名“来自星星的球迷”还在国际空间站里观看了比赛直播。NASA在社交网络上晒出了一张照片，图片中三名宇航员观看了10分钟的世界杯直播。不过在这三名球迷之间有一个小小的尴尬，他们来自两个国家，分别是德国和美国，而这两支球队又被分在了同一小组，将为小组出线而展开争夺。
