Ces satellites tournent en orbite héliosynchrone entre 700 et 900 km du sol et permettent donc une très grande résolution des données. Ils travaillent en paires, l'un faisant sa rotation autour des Pôles à l'inverse de l'autre afin de couvrir chaque point survolé d'une couverture maximale pour pallier le fait qu'ils ne sont pas géostationnaires comme les GOES ou METEOSAT. Leur période de révolution (durée nécessaire pour accomplir un tour complet) est d'environ 102 minutes, si bien qu'ils survolent l'équateur au moins 14 fois par jour, en passage ascendant et descendant. Les 2 satellites étant déphasés, une même région est survolée au moins 4 fois par jour à un intervalle d'environ 6 heures.
Avec chaque génération, les instruments de bord se sont améliorés et se classent en trois catégories :
- Des radiomètres qui captent différentes longueurs d'onde du spectre électromagnétique. Ceux du prochaine NOAA-18 (2007) sont des AVHRR (Advanced Very High Resolution Radiometer) à résolution de 1,1 km sous le satellite. Ils ont trois canaux:
- 0,58 à 0,68 micromètre (visible).
- 0,725 à 1,10 micromètres (proche infrarouge).
- 3,55 à 3,93 micromètres (infrarouge moyen).
- 10,3 à 11,3 micromètres (infrarouge thermique) avec une résolution de 0,12 Celsius.
- 11,5 à 12,5 micromètres (infrarouge thermique) avec une résolution de 0,12 Celsius.
- Des imageurs à balayage continu.
- Des capteurs de type TOVS (Tiros Operational Vertical Sounder) pour tirer des informations sur la structure verticale de température, d'humidité et d'ozone de l'atmosphère qui utilisent l'infrarouge et les micro-ondes.
De plus, depuis un certain temps, ces satellites sont munis de systèmes d'écoute et de retransmission des balises de détresses pour la recherche et le sauvetage.