SH-2は制御用マイコンであり、16ビット命令語長を基本とするなど小メモリ構成のシステムに向いた特長を持っている。概してこの当時のゲーム機器は限定された環境であり、セガサターンはメインメモリは2Mバイト、キャッシュも4kバイトと小容量だった。

開発はセガ・システム32の開発スタッフを中心に2D描画機能優先で進められた[9]。当初は1CPUのアーキテクチャとして開発が進められたが、競合機であったSCEのPlayStationがより高い演算性能を持つことが判明したこと、また任天堂の次世代機が64ビットCPUを採用するという噂などがあり急遽演算能力の向上を迫られることとなった。当時残された開発期間の短さなどにより、2基のCPUを搭載する方向へとそのアーキテクチャを変更した[10]。
サブプロセッサ

さらにSCU（System Control Unit）内蔵のDMAコントローラやDSPとの連携も可能である。またサブCPUとして、サウンド処理にMC68EC000、CD-ROMドライブの制御にSH-1が搭載されており、合計9個のプロセッサを持つ。これらは各種の処理を同時に並列化することでマシンとしての処理速度は800MIPSにおよぶ[11]。
VDP

VDP（Video Display Processor）はCPUなどがVDPにデータや命令を送ることで画像の描画や表示を行うデバイスで、セガサターンを特徴付ける描画の多彩さを担っている。セガサターンでは2基のVDPを搭載し、変形スプライト機能（VDP1）と、BG（バックグラウンド画面）機能（VDP2）に処理を分散している。
VDP1
VDP1は変形スプライトやポリライン、ラインなどを描画するデバイスで、スプライトゲームのデカキャラから3Dゲームのポリゴンオブジェクトまで様々な表現が可能である。4MビットのVRAMと2Mビット×2個のフレームバッファを接続しており、320×224から704×480までの解像度に対応している。旧来のゲーム機において標準的だったラインバッファによる横方向の表示制限はなく、フレームバッファ上に描画して出力する構造である。スプライトおよびBGに関しては、セガが当時主力としていた業務用ゲーム基板のシステム32以上の機能や性能を有しており、同時代のゲーム用VDPとしては最高水準の一つだった。その一方で、例えば半透明処理に機能的な制約がありメッシュ機能で代用される場合も多いなど、ポリゴン描画機能にはいくつかの制限があり、3D表現の自由度は競合機、特にPlayStationのGPUと比較し低かった。VDP1単体の描画性能は最大90万ポリゴン/秒、テクスチャ付きでも30万ポリゴン/秒だが、セガサターンのシステムとしてみた場合、ピクセル描画性能やCPUが担当するジオメトリ演算性能などに制限され、最大描画性能が出ることはない。
VDP2
VDP2が担当するBG機能は、拡大縮小・回転等が可能な独立したBGを5面もつなど、当時の水準ではきわめて強力なものを搭載しており、特に業務用ゲームなどの移植においてはその威力を遺憾なく発揮した。VDP2から見たVDP1はBG面の1つという位置付けであり、他のBG面と同様な合成処理が可能である。
メモリ構成

セガサターンのアーキテクチャにおいて特筆すべき点のひとつとして、同時代の家庭用ゲーム機としては豪華なメモリシステムがある。メインメモリに2Mバイト、ビデオメモリに1.5Mバイト、サウンド、CD-ROMバッファメモリにそれぞれ0.5Mバイトの計4.5Mバイトもの容量を搭載し、なおかつそれぞれの機能ブロックがサブシステムとして独立しているため、各システムが並列的にアクセスすることができた。

特に、プログラムとデータの大部分を格納するメインメモリのうち前半の1Mバイト、およびビデオメモリの全てに高速なSDRAMを用いており、ボトルネックを引き起こしにくい構造としている。メインメモリの後半1Mバイトは通常のDRAMだが、後述するスロットによってROMまたはRAMを拡張することができ、競合機と比較すると潤沢かつ強力なメモリ環境を実現していた。

またCD-ROMサブシステムのバッファメモリによりCD-ROMメディアのアクセス時間が軽減され、特に格闘ゲーム等の頻繁にローディングを要するゲームなどに活用されるなど、競合機でも発売されたゲームソフトと比較するとロード時間が他機種版よりも短い場合が多い。
CD-ROM

ソフト媒体として、倍速のCD-ROMドライブを内蔵した。セガサターンのソフトはエラー訂正機能が強く、ムービーのコマ落ちや音飛びなども少ない[12]。ROMカートリッジはスーパーファミコンで1万円以上のソフトも登場するなどメガCD末期からコスト高となっており、コストが安くなっていたCD-ROMにすることが開発早期の段階で決定された[6]。

セガサターン用のCD-ROMは外周に海賊版対策のため「サターンリング」と呼ばれる特殊なデータ領域を持っており、特殊なデータ領域とCD外周部に印刷された文字列を読み込むことでプロテクトチェックを行う[12]。そのため通常のCD-ROMと比べると容量は少ない。

初期のソフトのレーベル面にはカラーの美しいピクチャーレーベルを採用していたが中期以降のソフトは1色か2色の簡易印刷のレーベルに変わっている。
本体セーブデータ管理・時計機能

時計機能と本体に保存されたセーブデータはバッテリーバックアップで本体に取り付けられたコイン形リチウム電池によって保たれる。このため、本体にデータを残し続けるためには定期的に電池を交換する必要がある。交換には背面にある蓋を外し、中の設置位置にある電池の切れたものを新品のものと交換するだけでよい。本体のメモリ容量は少なく、電池が切れるとデータもすべて失われるため効率が非常に悪い。そのため、ゲームデータの保存にはパワーメモリーの使用が強く推奨される。また、本体にのみデータが保存されるソフトについては、ゲームを遊び終わった後に本体のオープンボタンを押してメインメニューを開き、そこからデータ管理画面に移動し、本体メモリからパワーメモリーにデータを移し、再開するときは逆順に行うことで続きからプレイできる。
カートリッジスロットセガサターン拡張ラムカートリッジ（1MB）の中身（基板） 171-7328A

本体上部に、カートリッジを差し込むためのスロットが存在する。

当初はゲームのデータセーブエリアを増やすフラッシュメモリのカートリッジ型メモリーカード「パワーメモリー」のために使われるのが一般的だったが、データの読み込み時間を軽減するためにCD-ROMとロムカートリッジとを併用する「ツインアドバンスドROMシステム」構想が発表され、『ザ・キング・オブ・ファイターズ95』と『ウルトラマン 光の巨人伝説』の2本に採用された。