Contrairement aux télescopes optiques qui se contentent de surfaces paraboliques comme miroirs, les télescopes à rayons X utilisent des surfaces complexes (paraboliques et hyperboliques) dont la surface est recouverte d'iridium. Les photons X ont une énergie telle que les miroirs traditionnels sont traversés et qu'il faut plutôt utiliser un angle d'incidence rasant pour les réfléchir (voir aussi l'article Focalisation (optique)#Télescopes à rayons X). Chandra utilise 4 paires de miroirs qui, en association avec la structure portante, portent le nom de High Resolution Mirror Assembly (HRMA). Les miroirs de Chandra (bien meilleurs que ceux recouverts d'or des premiers télescopes X en orbite) autorisent une résolution angulaire record de 0,5 seconde d'arc (2,4 µrad).
L'orbite fortement elliptique de Chandra lui autorise des périodes d'observation allant jusqu'à 55 heures (pour une période orbitale de 65 heures).
Le Science Instrument Module (SIM) porte les deux instruments du plan focal, ACIS (Advanced CCD Imaging Spectrometer) et HRC (High Resolution Camera), pour les placer en position d'observation selon le programme demandé.
ACIS comporte 10 CCD et fournit des images aussi bien qu'une information spectrale des objets observés. Il travaille dans la gamme de 0.2 à 10 keV. HRC comporte deux plaques à micro-canaux (micro-channel plates) et couvre la gamme de 0.1 à 10 keV. Il a aussi une résolution de 16 microsecondes. Ces deux instruments peuvent être utilisés seuls ou en association avec un des deux réseaux de diffraction.
Les réseaux de diffraction, qui peuvent être placés dans l'axe optique derrière les miroirs, offrent la capacité d'une spectroscopie à haute résolution. Le HETGS (High Energy Transmission Grating Spectrometer) travaille dans la gamme de 0.4 à 10 keV et dispose d'une résolution spectrale de 60-1000. Le LETGS (Low Energy Transmission Grating Spectrometer) travaille dans la gamme de 0.09 à 3 keV et une résolution de 40-2000.