Le télescope Hubble a une masse d'environ 11 tonnes, mesure 13,2 mètres de long, a un diamètre maximum de 2,4 mètres et a coûté 1 milliard de dollars US (soit environ 50 millions de dollars par an) dont 76 millions pour le dernier prolongement de mission en date (2013-2016). C'est un télescope réflecteur à deux miroirs ; le miroir primaire mesure à lui seul environ 2,4 mètres de diamètre et a coûté plus de 350 millions de dollars. Il est couplé à divers spectromètres ainsi que trois caméras : une à large champ pour les objets faiblement lumineux, une autre à champ étroit pour les images planétaires et une dernière réservée au domaine infrarouge.
La partie optique du télescope Hubble, OTA (Optical Telescope Assembly), utilise une architecture de type Cassegrain. Celle-ci, la plus courante pour les grands télescopes terrestres, permet d'obtenir une grande longueur focale (57,6 mètres) avec un tube relativement court (6,4 mètres). Hubble dispose d'un miroir de 2,4 mètres beaucoup plus petit que les télescopes terrestres les plus récents (jusqu'à 10 mètres), mais en étant placé au-dessus de l'atmosphère, le rayonnement n'est pas filtré ou perturbé par celle-ci, ce qui lui permet d'atteindre une résolution angulaire bien supérieure, en plus d'effectuer des observations dans l'infrarouge et l'ultraviolet. Un télescope Cassegrain comporte un miroir primaire qui réfléchit la lumière incidente vers un miroir secondaire situé dans l'axe qui la réfléchit à son tour vers les instruments chargés d'enregistrer l'image ou le spectre du rayonnement lumineux. Le télescope Hubble utilise une variante du Cassegrain dite Ritchey-Chrétien qui se caractérise par des miroirs primaire et secondaire hyperboliques, ce qui permet de supprimer le coma et l'aberration sphérique. La lumière incidente pénètre dans le tube optique puis est réfléchie par le miroir primaire de 2,4 mètres de diamètre vers le miroir secondaire de 30 cm de diamètre situé dans l'axe, puis passe par un orifice central de 60 cm de diamètre au milieu du miroir primaire pour atteindre le plan focal situé 1,5 mètre derrière celui-ci. Le flux lumineux est alors dirigé par un système de miroirs vers les différents instruments scientifiques. Le miroir primaire est réalisé dans un verre ayant un taux de dilatation très faible. Sa masse a pu être abaissée à 818 kg (contre environ 3 600 kg pour ses homologues terrestres) grâce à une structure interne en nid d'abeilles. La température du miroir primaire est maintenue constante grâce à une série de radiateurs et sa forme peut être corrigée par 24 vérins montés sur sa face arrière. Le miroir secondaire est réalisé en verre Zerodur recouvert d'une couche réfléchissante de fluorures de magnésium et d'aluminium. Des vérins commandés depuis le sol permettent de modifier son alignement par rapport au miroir primaire30.
Le télescope spatial Hubble dispose de cinq emplacements pour installer des instruments exploitant la lumière collectée par la partie optique. Les cinq instruments peuvent fonctionner de manière simultanée. Tous les instruments d'origine ont été remplacés, dont certains à deux reprises, depuis le lancement de Hubble. Douze instruments ont en tout été installés sur Hubble. Les instruments se distinguent par la taille du champ optique couvert, la partie du spectre électromagnétique observée (infrarouge, ultraviolet, lumière visible) et le fait qu'ils restituent soit des images soit des spectres électromagnétiques.
La caméra à grand champ WFC3 (Wide Field Camera 3) installée en 2009 dans le cadre de la mission constitue la troisième génération de cet instrument équipant Hubble. Elle couvre un spectre très large comprenant l'ultraviolet, la lumière visible et l'infrarouge. WFC3 est utilisée pour observer les galaxies très lointaines, le milieu interstellaire et les planètes du Système solaire. L'instrument comprend deux canaux : UVIS pour l'observation en ultraviolet et en lumière visible (200 à 1 000 nm) et NIR pour le proche infrarouge (800 à 1 700 nm). Un miroir est utilisé pour orienter le faisceau lumineux vers l'un ou l'autre des canaux. L'instrument ne peut pas exploiter les deux canaux en même temps. Pour UVIS la résolution est de 0,04 seconde d'arc par pixel et le champ optique est de 162 × 162 secondes d'arc. Pour NIR la résolution atteint 0,13 seconde d'arc par pixel pour un champ optique de 136 × 123 secondes d'arc.
La caméra ACS (Advanced Camera for Surveys) est en fait constituée de trois caméras : une à grand champ, une à haute résolution et une fonctionnant dans l'ultraviolet. Elle a été installée en 2002 mais est tombée partiellement en panne en 2007 puis a été réparée par l'équipage de la mission STS-125. L'instrument permet de déterminer la distribution des galaxies et des amas et de réaliser des images à très haute résolution des régions ou se forment les étoiles et leurs planètes.
La caméra et spectromètre STIS (Space Telescope Imaging Spectrograph) a été mise en place en 1997 par l'équipage de la mission STS-82. Elle a été réparée en 2009 par l'équipage de STS-125. L'instrument permet d'observer en ultraviolet, lumière visible et proche infrarouge. Elle est utilisée pour obtenir les spectres des galaxies.
Le spectromètre ultraviolet COS (Cosmic Origins Spectrograph) fournit des spectres électromagnétiques d'objets ponctuels. Cet instrument a été mis en place en 2009 par l'équipage de la mission STS-125. Il est utilisé pour étudier les grandes structures de l'Univers et la composition des nuages de gaz et des atmosphères planétaires.
Le télescope doit rester fixe par rapport aux étoiles avec un pointage extrêmement précis de manière à pouvoir effectuer des observations de longue durée attendues par les astronomes. Le télescope utilise plusieurs types de capteurs en partie redondants pour déterminer son orientation et mesurer ses mouvements de rotation propres. Trois capteurs de pointage fin FGS (Fine Guidance Sensors) sont utilisés pour maintenir le télescope pointé vers les étoiles en cours d'observation. Quatre capteurs déterminent la direction du Soleil et sont notamment utilisés pour déterminer si le volet de protection situé à l'extrémité du télescope doit être fermé pour protéger les capteurs des instruments scientifiques. Deux magnétomètres permettent de déterminer l'orientation du télescope par rapport au champ magnétique terrestre. Trois systèmes RSU (Rate Sensor Units) contenant chacun deux gyroscopes détectant les mouvements de rotation du télescope sur lui-même selon les trois axes. Enfin, trois viseurs d'étoiles sont également utilisés pour déterminer l'orientation de Hubble par rapport aux étoiles. Pour maintenir le télescope pointé avec précision vers les étoiles observées, deux types d'actionneurs sont utilisés :
