Le vaisseau cargo HTV est un cylindre long de 9,8 mètres hors tout et d'un diamètre de 4,4 mètres pesant à vide jusqu'à 11,5 tonnes. Il comporte 4 parties qui s'étagent le long du cylindre : à l'avant la partie pressurisée longue de 3,14 m qui emporte le fret destiné aux modules pressurisés, la partie longue de 3,5 mètres qui emporte le fret non pressurisée et qui est accessible via une large ouverture, la partie contenant l'avionique longue de 1,25 m. et enfin la partie abritant la propulsion avec les réservoirs longue de 1,27 mètres. .
La propulsion principale est assurée par 4 propulseurs de 490 Newtons de poussée. Le contrôle d'attitude est assuré par 24 moteurs-fusée de 110 Newtons de poussée. Tous les moteurs sont fournis par le constructeur américain Aerojet et consomment un mélange hypergolique deMéthylhydrazine et de MON. L'HTV peut emporter jusqu'à 2,4 tonnes de carburant. L'énergie électrique est fournie par 57 panneaux solaires installés sur la paroi extérieure du cylindre. Celle-ci alimente des résistances qui maintiennent la température à l'intérieur de la partie pressurisée et l'avionique. Celle-ci comporte :
- un système de navigation et de de pilotage,
- un système de communication qui est en relation avec le réseau de satellites de télécommunications TDRS (liaison avec les centre de contrôle au sol) et la station spatiale lorsque celle-ci est à portée.
- un système qui traite les instructions reçus du sol et envoie des données télémétriques.
- un système de gestion de la puissance électrique qui stocke dans des batteries l'énergie reçue pour en disposer durant les phases d'éclipse.
Le HTV peut transporter 4,5 tonnes de fret dans sa soute pressurisée et 1,5 tonnes dans un espace non pressurisé. La partie pressurisée dispose d'une écoutille carrée de grand taille de type CBM qui permet une connexion directe aux ports d'amarrage de la partie non russe de la station spatiale, il peut, contrairement à l'ATV européen, transporter les pièces les plus volumineuses qui équipent l'intérieur de la station spatiale internationale (8 racks de format standard). Le fret de la partie non pressurisé est placé sur une palette (l'Exposed Pallet ou EP). Deux types de palette peuvent, au choix, être utilisées : l'une permet de transporter deux à trois expériences scientifiques destinées à être placées sur la palette ELM ES située à l'extérieur du laboratoire japonais Kibo. La seconde permet de transporter des pièces détachées (Orbital Replacement Unit ou ORU) pour la station spatiale par exemple jusqu'à six batteries.
