Układy z rodziny ESP32 są produkowane jako systemy jednoukładowe (SoC), integrujące procesor, moduł radiowy oraz peryferia w jednym układzie scalonym. W zależności od modelu dostępne są warianty wyposażone w dodatkową pamięć Flash lub PSRAM, a także rozszerzenia przeznaczone do przetwarzania sygnałów, grafiki, dźwięku i zastosowań związanych ze sztuczną inteligencją.
Warianty Rodzina ESP32 obejmuje wiele zgodnych programowo układów, między innymi: ESP32 – podstawowa wersja oparta na rdzeniach Xtensa LX6; ESP32-S2 – wersja jednordzeniowa z obsługą USB OTG (bez modułu Bluetooth); ESP32-S3 – wersja wyposażona w rdzenie Xtensa LX7 i rozszerzenia przyspieszające obliczenia związane z uczeniem maszynowym; ESP32-C3 – ekonomiczny układ oparty na architekturze RISC-V z łącznością Wi-Fi 4 i Bluetooth 5; ESP32-C6 – wariant wieloprotokołowy obsługujący Wi-Fi 6, Bluetooth 5, ZigBee i Thread; ESP32-H2 – układ przeznaczony do komunikacji Bluetooth Low Energy oraz IEEE 802.15.4 (bez modułu Wi-Fi); ESP32-P4 – wysokowydajny procesor aplikacyjny RISC-V przeznaczony do zaawansowanego przetwarzania multimediów (nie zawiera zintegrowanego radia).