Le premier tiers du missile est composé du système de guidage. En premier lieu, on trouve l'antenne, sous un dôme conique. Derrière elle sont placées les batteries qui alimentent le système, puis l'électronique de guidage à proprement parler. Le missile est de type "tire et oublie", ce qui signifie qu'une fois le missile tiré, il est totalement autonome. Lors du tir, le système d'arme de l'avion transmet au missile les coordonnées de la cible. Ces coordonnées proviennent généralement du radar du lanceur, mais peuvent également être fournies par un système de détection infrarouge, d'un autre avion équipé d'une liaison de données, voire d'un AWACS. Le missile calcule alors une trajectoire d'interception, et se dirige vers le point d'impact grâce à un guidage inertiel (INS). Cependant si l'avion tireur continue à illuminer la cible à l'aide de son radar, la trajectoire du missile est mise à jour. Certaines forces aériennes n'ont pas émis le souhait d'avoir cette option de mise à jour, ainsi, la Royal Air Force a constaté que sans cette mise à jour, l'efficacité de l'AIM-120 était inférieure à celle du BAe Sky Flash qu'il remplace.
Une fois la cible arrivée à portée de son radar, le missile passe en guidage actif. L'autodirecteur passe en action, trouve la cible et se verrouille dessus. Les aviateurs de l'OTAN surnomment ce mode "Pitbull" car il ne lâche plus sa cible. Si le missile est tiré a courte portée, il passe directement en mode actif et est donc très efficace.
Cette partie, est constituée de quatre servomoteurs électromécaniques actionnant les gouvernes de direction.
La charge militaire est constituée de 23kg d'explosif à fragmentation pour les versions AIM-120A et AIM-120B, appelée WDU-33/B. La version AIM-120C est quant à elle équipée de l'ogive WDU-41/B constituée de 18kg d'explosif à fragmentation.
L'AIM-120A et l'AIM-120B sont équipés d'un moteur-fusée à carburant solide leur permettant d'atteindre la portée de 75km et la vitesse de Mach 4. L'AIM-120C quant à lui, possède un moteur plus gros pour atteindre 110km. Peu d'informations sont disponibles sur ce moteur, dont la dénomination officielle est WPU-6/B pour les versions AIM-120A/B et WPU-16/B pour l'AIM-120C.