康普顿伽玛射线天文台重约17吨，其中天文仪器重约7吨，在当时是用
航天飞机发射的最重的民用航天器。卫星上搭载的主要观测仪器有：
- 爆发和瞬变源试验设备（），由8台同样的装置组成，分别安装在卫星的8个角上。观测能段为20-600 keV，目的是探测持续时间很段的伽玛射线暴。是由美国宇航局马歇尔空间飞行中心研制的。
- 定向闪烁光谱仪（），由4台探测器组成，分为两组，每一组都可以独立观测。能段范围为0.05-10 MeV，是由美国海军研究实验室制造的。
- 康普顿成像望远镜（），观测能段为1-30 MeV，由德国马克斯·普朗克研究所和美国新罕布什尔大学共同研制。它在工作期间观测了铝的1.809 MeV谱线，发现它们集中在银道面上，并且主要分布在银河系中心和旋臂附近，表明重元素的主要来自于大质量的恒星。
- 高能伽玛射线试验望远镜（），用于观测20 MeV-30 GeV的高能伽玛射线，并具有极高的时间分辨本领。该仪器由美国宇航局戈达德空间飞行中心、马克斯·普朗克研究所和斯坦福大学共同开发。在工作期间，它探测了一批蝎虎座BL天体的高能伽玛射线辐射，并使伽玛射线脉冲星的数量增加到8个，还给出了若干个伽玛射线暴的高能辐射。
