ESP8266 có cấu trúc cơ bản như mọi vi xử lý khác. Vi điều khiển này tích hợp bộ vi xử lý Tensilica L106 kiến trúc RISC 32bit. Vi điều khiển này có thể chạy với năng lượng thấp với tốc độ có thể lên đến 160Mhz. Hệ điều hành RTOS và ngăn xếp wifi cho phép 80% khả năng xử lý có sẵn để lập trình ứng dụng. Hình 2.12 là biểu thị cho sơ đồ chức năng của ESP8266. Trong sơ đồ này có thể thấy vi điều khiển một phần xử lý wireless riêng biệt song song với bộ xử lý chính. Điều này giúp cho tốc độ xử lý dữ liệu không bị ảnh hưởng bởi tốc độ truyền tải dữ liệu.
ESP8266EX Wi-Fi SoC tích hợp bộ điều khiển bộ nhớ và các đơn vị bộ nhớ gồm có SRAM (bộ nhớ truy xuất ngẫu nhiên tĩnh) và ROM. MCU có thể truy cập các bộ nhớ này thông qua bộ “trọng tài” để quyết định cái nào trước cái nào sau. Bộ nhớ Ram truy cập cho phép là <50 kB. Tuy nhiên không có ROM programable trong SoC, do đó chương trình phải được lưu trên bộ nhớ flash ngoài thông qua SPI. Bộ nhớ hỗ trợ tối đa có thể lên đến 16MB, và vùng nhớ OTA (over-the-air) cho phép phải lớn hơn 1MB. NODE MCU được thiết kế để sử dụng tần số cao. Có thể lựa chọn tần số là 80Mhz hoặc tốc độ cao 160 Mhz.
ESP8266 có 17 chân GPIO. Các chân này có thể được gán các chức năng khác nhau dựa trên lập trình các thanh ghi tương ứng phù hợp. Mỗi GPIO PAD có thể cấu hình điện trở trong pull-up hoặc pull-down hoặc được cài đặt ở chế độ trở kháng Z cao. Khi được cấu hình làm đầu vào, dữ liệu được lưu trữ trong các thanh ghi phần mềm; đầu vào cũng có thể được đặt thành ngắt CPU kích hoạt cạnh hoặc kích hoạt mức. Các chân này được đặt là hai chiều, không đảo và 3 trạng thái. Các chân này có thể ghép với chức năng khác như SPI, I2C, UART, PWM.