机型结构
C-17采用大型运输机常规布局。机翼为悬臂上单翼，前缘后掠角25度，NASA翼梢小翼高2.90米。悬臂T形尾翼。垂直安定面与机身连接处向前伸有小背鳍，嵌入型方向舵分为上、下两段，升降舵分为两段。垂直尾翼有个特殊的设计，内部有一隧道形的空间，可让一位维修人员攀爬通过，以进行上方水平尾翼的维修。液压可收放前三点起落架，可靠重力应急自由放下。前起落架为双轮，主起落架为6轮。前起落架向前收入机身，主起落架旋转90°向里收入机身两侧整流罩内。可在铺设与未铺设的跑道上使用。起落架装有碳刹车装置。C-17运输机长度53米，高度16.8米，翼展51.81米，外形尺寸与C-141相当。最大起飞重量263吨。C-17沿用了DC-10飞机采用的先进复合材料结构和翼梢小翼技术。
C-17和将被它取代的C-141有一项特别的不同之处：在必要的情况下，可以在未整修的路面上短场紧急降落，原型机试飞员曾表示：C-17的落地就和战斗机一样，因此起落架必须格外坚固与耐震。主起落架减震支柱除了传统的油气压式减震外，还采用前后双支柱配置，每根支柱搭配三个主轮，落地时由后方较长的减震支柱三主轮先着地，当受压成90度时，前方减震支柱三主轮再落地。
动力系统
C-17安装四具普惠（Pratt Whitney）的PW2040涡轮风扇发动机，美军编号F117-PW-100。此型发动机的前身是PW2037，由普惠公司于1979年12月开始研发，推力为17,418千克，1983年12月通过联邦航空管理局（FAA）的认证，1984年12月开始装于波音757上使用。1988年普惠公司完成推力提升，将推力增加到18,915千克，并赋予新的型号PW2040。1988年12月获得军方认证安装在C-17上，当时此型发动机已累积了数百万飞行小时的使用经验，可靠且耐用。发动机以悬吊式挂架（cantilevered pylon）挂于机翼的前下方，每具挂架由数件铸铝螺桩结构与机翼相搭接，使外挂载和机翼间有连续的负载路径（loadpath）。
C-17发动机具有反向推力装置（thrustreverser），发动机罩的外型为滑套后缩（slides backward）双罩型，二罩间有一开口，当启动反向推力时，发动机排气经由此开口被导向前上方45度，因此不会吹起地面的砂石与尘土。另外在发动机运转时，不会影响卸货或是一些地面工作。反向推力装置也让C-17具备一项新的地面操作功能，可以在27.4米宽的跑道上进行180度的回转，也能在2.25g的情况下，于倾斜度2%的斜坡上后退。反向推力装置在飞机静止时也可以启动，不会有发动机过热的问题。
航电系统
C-17驾驶舱内的乘员为3人，即正副驾驶员和货物装卸员，驾驶舱只设4个座位。用人如此少，因为座舱采用先进数字式航空电子系统，包括4个阴极射线管显示器和两个通用电气公司电子部的平显仪，集中显示各种信息，减轻了驾驶员的工作负担。机上采用通用电气公司的数字式电传操纵系统、汉尼韦尔公司的复式大气数据计算机。发动机以及飞行操纵数据也可由多功能显示器显示。导航通信可全频率调谐。任务和通信显示器具有频率和频道预先存储能力，它既可人工操纵又可使用预先编好程序的磁带来改变正在进行的飞行计划而不干扰导航系统。采用特里达因公司的操纵警告系统，主警告器可自动提供主系统的监控，并可在显示屏上显示可见监控信号，还可在机内通话系统中发出声响或语音信号。
C-17运输机另外装有德尔科电子公司的航空电子设备，包括任务计算机和电子操纵系统；汉密尔顿标准公司的飞机和发动机数据管理系统计算机；汉尼韦尔公司的自动测试设备和辅助系统数据采集和控制系统；特列丰尼克公司的无线电管理系统。除了正常的飞行信息外，显示系统还可提供飞机各系统的状态、必要的应急程序和常规的检查项目表等。
运载设计
C-17容战略和战术空运能力于一身。在货舱设计上，尽管C-17外形尺寸和C-141差不多。但其货舱尺寸却与外形尺寸比C-17大的C-5“银河”相当。按能在货舱中两排布置6辆卡车的要求，货舱宽度为5.49米，长26.82米，高4.11米。吉普车可3辆并列，也可装运3架AH-64武装直升机。各种被空运的车辆可直接开入舱内。机舱中心线和机舱两壁可装折叠式座椅。空投能力包括空投27,215～49,895千克货物，或空降102名伞兵。为了装载陆军最重的装备——55吨重的M1主战坦克，货舱地板由铝合金纵梁加强，达到了60吨的最高承载能力。
C-17可顺利承载62吨的M1A2型主战坦克，地板上布置了系留环、导轨、滚珠、滚棒系统等设施，这些设施延伸到可在飞行中放下的货桥上，货桥上有货物降落伞拽出装置。每个系留环可承受11,340公斤拉力。C-17货舱门关闭时，舱门上还能承重18,150千克，几乎是C-130全机的装载量，而一般的运输机舱门通常只能堆放轻的货物。机身尾部两侧各有一跳伞舱门。尾部机身顶上和机翼前的机身顶上分别有两个水上降落应急出口。
