Konstrukcja sondy Sonda jest stabilizowana trójosiowo. Do boku statku przymocowane jest pojedyncze, złożone z trzech paneli, skrzydło ogniw słonecznych o powierzchni 10,7 m². Dostarcza ono energię o mocy 1850 W (pod koniec misji), dające średnio 800 W podczas każdej orbity. Ogniwa ładują baterie litowo-jonowe o pojemności 80 Ah. Maksymalna prędkość przesyłania danych na Ziemię (w paśmie Ka i paśmie S) wynosi 100 megabitów na sekundę. Dziennie przesyłane jest do 461 gigabitów danych. Całkowita masa startowa sondy wynosiła 1916 kg, w tym 898 kg paliwa dla silników korekcyjnych.
Sonda LRO została skonstruowana w należącym do NASA ośrodku Goddard Space Flight Center.
Instrumenty naukowe Na pokładzie sondy znajduje się 6 podstawowych instrumentów naukowych oraz dodatkowy instrument eksperymentalny (Mini-RF). Cosmic Ray Telescope for the Effects of Radiation (CRaTER) – teleskop promieniowania kosmicznego służący do badania wpływu galaktycznego i słonecznego promieniowania kosmicznego na równoważne tkankom biologicznym tworzywa sztuczne; scharakteryzuje środowisko radiacyjne w otoczeniu Księżyca i określi wielkość promieniowania, na które mogą być wystawieni astronauci; Diviner Lunar Radiometer Experiment (DLRE) – radiometr;