Các vệ tinh GPS truyền tín hiệu từ không gian, và các máy thu GPS sử dụng các tín hiệu này để tính toán vị trí trong không gian 3 chiều (kinh độ, vĩ độ, cao độ) và thời gian hiện tại. Do vậy hệ thống định vị toàn cầu GPS bao gồm 3 thành phần chính là: phần không gian, phần điều khiển và phần người sử dụng.
- Phần không gian: Phần không gian gồm 24 vệ tinh (21 vệ tinh hoạt động và 3 vệ tinh dự phòng) nằm trên các quỹ đạo xoay quanh trái đất. Chúng cách mặt đất 20.200 km, bán kính quỹ đạo 26.600 km. Chúng chuyển động ổn định và quay hai vòng quỹ đạo trong khoảng thời gian gần 24 giờ với vận tốc 7 nghìn dặm một giờ. Các vệ tinh trên quỹ đạo được bố trí sao cho các máy thu GPS trên mặt đất có thể nhìn thấy tối thiểu 4 vệ tinh vào bất kỳ thời điểm nào. Các vệ tinh được cung cấp bằng năng lượng Mặt Trời. Chúng có các nguồn pin dự phòng để duy trì hoạt động khi chạy trong không gian không có
ánh sáng Mặt Trời. Các tên lửa nhỏ gắn ở mỗi quả vệ tinh giữ chúng bay đúng quỹ đạo đã định.
- Phần điều khiển: Để cho các vệ tinh trên quỹ đạo hoạt động chính xác, trên mặt đất đã thiết lập một trạm điều khiển chính đặt tại Colorado Spring, 5 trạm giám sát và 3 trạm dẫn động. Ba trạm dẫn động đặt tại 3 căn cứ quân sự Mỹ: Ascension (Đại Tây Dương), Diego Garcia (Ấn Độ Dương), Kwajalein (Thái Bình Dương). Năm trạm giám sát: mộttrạm đặt tại vị trí trạm điều khiển chính, một trạm đặt tại Hawaii, 3 trạm đặt tại vị trí các trạm dẫn động. Các trạm nối với nhau bằng đường cáp điện.
Các trạm giám sát không cần người trông coi, chịu sự kiểm soát của trạm điều khiển chính, có nhiệm vụ thu thập thông tin từ vệ tinh, liên tục kiểm soát vị trí vệ tinh, cập nhật thời gian và cung cấp lịch sao cho vệ tinh dùng để đảm bảo sự đồng bộ thời gian với thời gian chuẩn và vị trí trên trái đất. Các dữ liệu này được truyền về trạm điều khiển chính
Trạm điều khiển chính tiếp nhận, xử lý các thông tin, sai số dữ liệu... từ trạm giám sát truyền về và cập nhật, biên tập các bản tin đạo hàng, cung cấp thời gian chuẩn, tính toán các thông số vệ tinh, đưa ra các lệnh điều khiển... rồi truyền chúng đến các trạm dẫn động, định giờ phát đến các vệ tinh GPS.
- Phần sử dụng: Mục đích cuối cùng của hệ thống là máy thu GPS của người sử dụng trên mặt đất tiếp thu các tín hiệu từ vệ tinh để xác định vị trí. Máy thu GPS thu nhận tín hiệu từ ít nhất 4 vệ tinh, máy thu bao gồm máy tính điện tử tự lựa chọn nhóm vệ tinh để tiếp nhận tín hiệu, xử lý và tính toán vị trí của tàu, phương tiện. gồm vĩ độ, kinh độ, thời gian, tốc độ, hướng đi một cách chính xác và hiển thị lên màn hình.
Máy thu được thiết kế thành nhiều loại: máy thu cho phương tiện cao tốc dùng trên máy bay và đạn đạo tốc độ cao, máy thu cho phương tiện trung
tốc cho máy bay dân dụng tốc độ dưới 400 km/h và máy thu cho phương tiện tốc độ thấp để xác định vị trí tàu biển, ô tô…