总体气动
歼-20作为中国首款第五代战斗机，融合了全球多种已经在使用的优秀战斗机的特点，具备很强的隐形性能、机动性能。比如美国F-35的光电分布孔径系统（EODAS），也被技术人员整合到歼-20战斗机上。歼-20是世界上第二架应用EODAS的战斗机。歼-20是首款采用鸭式气动布局的隐身战斗机，采用DSI鼓包进气道。
歼-20采用单座、双发、全动差动双垂尾、DSI进气道（无附面层隔道超音速进气道）、上反鸭翼带尖拱边条的鸭式气动布局。歼-20的鸭翼相对主翼的位置比歼-10进一步靠前，增大了力臂，增强了效用，所以较小的鸭翼就可以达到很大的作用。
此布局使飞机拥有较优秀的超音速控制率，良好的大仰角升力特性，较大的瞬时攻角与滚转率。但鸭式布局最大的缺点为最大攻角与持续攻角的矛盾性，并且鸭翼偏转时产生强度较大的镜面反射回波，对飞机头向RCS（雷达散射截面）影响甚至比常规布局飞机大。
在已知的第五代战斗机中，只有歼-20采用腹鳍，F-22、F-35、苏-57都没有采用腹鳍。俄罗斯的苏-57或许可以用推力转向补充大迎角方向稳定性的主动控制，F-22、F-35可没有这样的能力。但是F-22发动机是矢量发动机，发动机喷口推力可以上下变动。而歼20A用的发动机还不是矢量的，是属于标量的。
有消息称歼-20已经采用的局部等离子体隐身技术、反无源探测涂料，可以使中国的第五代战斗机隐身性能达到或超越F-22。
垂尾边条
歼-20的鸭翼和双垂尾是全动的。国外已知的第五代战斗机中，只有苏-57带有全动垂尾，F-22和F-35都是常规的固定垂尾加可动舵面。
歼-20可动边条，位于鸭翼和机翼之间。歼-20的边条非常小，比较狭窄，在鸭翼后面。边条可以可控下垂，可动边条可以强化涡升力，并且可以控制涡流走向。
歼-20采用的全动垂尾和可动边条技术，无不显示了中国航空设计师的功力和中国航空技术这些年来的进步与积淀。歼-20还采用了分布式综合光电系统、有源相控阵雷达等先进的技术。
作为隐形重型战斗机，歼-20在世界上独创的“升力体、边条翼、鸭翼”布局，使得飞机既有很好的隐身性，又有很强的超音速和机动飞行能力。杨伟认为，既然有了最强的装备，就要把这个装备在实战过程中用到最关键的地方，发挥举足轻重的作用。
DSI进气道
歼-20采用了可调式DSI（无附面层隔板超音速）进气道，用三维复杂曲面的凸曲面（鼓包状，用于压缩气流）把进气中的附面层迎面剖开，然后用压力梯度顶到进气口的两角泄放。
相比于F22的CARET进气道，歼20的DSI进气道有如下优点：
1、取消了F-22的CARET的附面层隔离装置。歼-20的DSI鼓包巧妙地把附面层从进气口上面和下面排出，根本不需要这个沉重、复杂的装置，减少了重量和复杂性。
2、在超音速总压恢复上比F-22的CARET至少不差，极可能更好。
3、亚/跨音速时比CARET更能提供使发动机平稳工作的气流。考虑到歼-20的DSI是在积累了枭龙DSI的大量经验后发展出来的新一代DSI，会继承枭龙DSI的这个优点。
歼-20一个显著特征就是进气道侧面两个通风口，为了隐身而设计成六边形并用网格覆盖。网上普遍的说法是燃油/空气冷却器(ACFC/热交换机)的通风口（前面进气后面排气），为飞机热量管理系统(TMS)的一部分。因为歼20配备了大功率的主动相控阵雷达(AESA)，其产生的热量大幅增加。为了解决散热问题，同上一代战斗机航电设备的空气冷却不同，歼20据研判采用了新一代液体冷却系统。该系统分前后两个回路并采用专用冷却液，该冷却液先流经前回路将雷达等航电设备的热量带出，然后进入后回路流经燃油箱将热量传递给燃油，因为后者具备更大的热容量。最后加热后的燃油则通过燃油/空气冷却器将热量排出机外。这种液体冷却的方式已被F22和F35所采用，为国际标准五代机的标配之一。然而歼20ACFC的散热排气口位于进气道外侧，作为一个红外辐射源比较容易从侧下方被探测到。与之相比F22和F35的散热排气口均在背部并朝上，看上去更加隐蔽。
动力火控
尹卓先生正面证实歼-20采用的就是国产发动机，并且基本满足歼20的格斗需求。而涡扇-15正在研制中，等2019年涡扇-15服役后，将明显提升歼-20战斗机的性能。并表示，歼-20已经交付部队4、5个月了。
与苏-35战斗机一样，歼20也采用了飞火推一体化控制系统。
飞火推一体化在软件上把飞行控制、火力控制、发动机控制整合到一起，最大限度地发挥1+1+1大于3的威力。飞行控制主管飞机的速度、高度和姿态，火力控制主管构成武器发射条件，发动机控制主管提供充足的推力。传统上，飞控是主导的，只有把飞机机动到适当的发射位置，武器才能有效发射，而发控只是飞控的动力保障，据从属位置。飞火推一体化后，火控有可能在特定时间成为主导，飞行员指定目标位置后，飞火推联手把飞机尽快转入最优发射位置，在最优时刻自动发射武器。
座舱系统
屏幕化
歼-20座舱内部装有两个连在一起的多功能大屏幕显示器，这种布局国外是从之前的F-35开始应用，单个屏幕大小应该在12寸左右，两个显示器之间无连接框，可以用来合并显示较大的图像。
触摸化
歼-20的显示屏采用了触摸感应技术。
声控操纵
歼-20机上的主屏幕可以通过声音进行各种控制和调整，也就是说不必利用手部动作就可以控制飞机。
歼-20的仪表板采用了一个尺寸为8×20英寸的大型全景多功能显示器（MFDS），截止到2014年最大的战斗机显示器，实际上它是由两个并排在一起的8×10英寸投影显示器组成，其分辨率分别为1280×1024。这两个显示器是完全互为备份的。当一个发生故障时，所有的功能都可在另外一个显示器上显示。MFDS将显示传感器、武器和飞机状态数据，以及战场环境、战术和安全信息。大范围的战术水平态势可以全屏显示，也可以在平面上分割成若干小窗口分别显示不同的信息。
采用两种方式对系统功能进行控制：一种是触摸屏方式；另一种是通过设置在驾驶杆和油门杆上的各种开关和电位计旋钮实现的（HOTAS）。两台显示器分别由两个处理机提供对原始信息的加工处理。MFDS采用微型有源矩阵液晶显示器（LCD）作为成像源。每个显示屏的投影系统分别由3个弧光灯进行照明。
歼-20的头盔显示器系统（HMDS）取代了传统的平视显示器（HUD），不仅节约了费用，而且也显著地降低了系统的重量。HMDS系统是光电系统和飞行员头部位置跟踪装置的组合，它能为飞行员显示关键的飞行状态数据、任务信息、威胁和安全状态信息，同时系统还可以为飞行员引导机载武器和传感器（如雷达和EOTS）指向所关注的区域；或发出视觉提示，告诉飞行员应该关注的区域。
操纵系统
歼-20采用了先进的光传操纵系统。光传操纵系统是在电传操纵系统上发展起来的，也是后者的发展趋势。电传操纵系统的致命弱点是易受雷电和电磁干扰及核辐射的影响。现代飞机性能不断提高，电子设备日趋复杂，这必然导致电缆用量的增加以及线路布局的复杂化，从而加大了线路之间的干扰，影响电传操纵系统正常工作。解决这一问题的根本办法就是采用光传操纵系统。光传操纵系统是以光代替电作为传输载体，采用光纤代替电缆作为传输介质，以光信号的形式传输，使得光传操纵系统具有很多优点。
弹仓设计
歼-20在机腹部位有一个主弹仓，机身两侧的起落架前方各有一个侧弹仓。歼-20的侧弹舱门为一片式结构，这个弹舱舱门向上开启，弹舱内滑轨的前端向外探出，使导弹头部伸出舱外，再直接点火发射。
值得注意的是，歼-20的侧弹仓门，为一片式结构和起落架舱门是衔接的，共用一条锯齿缝，两个仓之间相互被隔断，但是表面盖板却是相邻的。这样的设计减少了一条散射缝，对隐身有利。歼-20在伸出导弹发射架后，弹仓舱门依然可以关闭。这样的设计有利于减小阻力和飞机的雷达反射面积，是一种非常好的隐身设计，乃世界第一个锯齿开舱门。
这个结构非常简单，只需要一个旋转机构和一个液压作动筒，就完成了全部发射动作。如图所示，新型格斗导弹被安装在一个旋转机构的挂架上，当导弹发射时，侧弹舱舱门打开，导弹挂架被旋转机构转出舱外，然后侧弹舱舱门关闭，导弹在挂架上发射。歼-20的格斗导弹发射方式设计得更聪明，避免了很多气动和强度上的麻烦。一般来说，格斗导弹锁定目标时机往往只有2至3秒的时间，从按电钮-电机启动-舱门全开-导弹发射这4个步骤下来耗时至少得3秒，确实会贻误时机。歼-20的格斗导弹可以事先放在舱外，这就是巨大的发射时机优势。另外，如果格斗战全过程打开舱门，则对气动效果影响较大，飞机的颤动和乱流导致的阻力增大会降低机动性能。歼20也可以机翼挂载武器。
武器配置
根据2013年歼-20带弹试飞照片显示，歼-20的侧弹仓可各携带1枚导弹，主弹舱拥有六个挂架，可携带6枚导弹。歼-20装有4个外挂点，可在牺牲隐身能力的情况下加大带弹量。在接敌过程中，歼-20可以用机载空对空导弹攻击敌机，加上未来配备的可大角度离轴发射的导弹。
歼-20的可选装备如下：
远程空对空导弹：霹雳-21；
中程空对空导弹：霹雳-12D或霹雳-15；
近程空对空导弹：霹雳-10；
精确制导滑翔炸弹：雷石-6，飞腾-7；
机炮：一门30×165毫米GSh-301单管转膛航空机炮。
雷达光电
据国内雷达科研单位资料透露，歼-20得益于充足的头部空间，AESA雷达的T/R组件高达2000到2200个之多，发射功率在24千瓦，全球最大！完全能保证在F22战斗机探测范围外首先发现其踪迹。AESA有源相控阵雷达，雷达探测距离达200公里，且同时跟踪30个目标，并可攻击其中4—6个目标。
光电分布式孔径传感器系统(EODAS)的配备给予歼-20以较大的战术优势，歼-20可以在不开启雷达的情况下仍旧保持对战机周围空情的掌握能力，从而提高战机的作战效能和生存能力。特别是可以在外部信息系统支援下从侧面接近目标，然后发起突然攻击，并且对逼近的空中目标进行有效的探测和识别，以防止对方突然袭击。
新抗荷服
歼-20会进一步加强加压呼吸的效果，而关键措施之一就是配备囊式抗荷背心；通过在胸部外施压增加对抗压力后，飞行员呼吸时承受的氧气压力可以得到非常明显的提高。新型抗荷背心的结构非常可能类似F-22配备的CSU-17/P背心，采用方便穿脱的前开口、胸前双气囊和颈后小气囊组合结构。
