JWST využívá optický design tříspektrálního zrcadlového anastigmatu (Three-Mirror Anastigmat – TMA):

• Primární zrcadlo (Primary Mirror - PM): Segmentovaný reflektor tvořený 18 hexagonálními segmenty z berylia třídy O-30 (vynikající tepelná stabilita a vysoká specifická tuhost při $T \sim 30 - 50\text{ K}$). Segmenty mají průměr 1,32 m a plošnou hustotu pouhých $20\text{ kg/m}^2$.
• Sekundární zrcadlo (Secondary Mirror - SM): Konvexní zrcadlo o průměru 0,74 m umístěné na skládací trojnožce.
• Terciární zrcadlo (Tertiary Mirror - TM): Asférické zrcadlo korigující komu a astigmatismus v širokém zorném poli.
• Jemné řídicí zrcadlo (Fine Steering Mirror - FSM): Ploché zrcadlo zajišťující sub-arcsekundovou stabilizaci obrazu ve zpětné vazbě s naváděcím senzorem FGS s frekvencí $\sim 16\text{ Hz}$.

Optická propustnost a difrakční limit: efektivní ohnisková vzdálenost systému je $f = 131,4\text{ m}$ ($f/20$). Zrcadla jsou vakuově napařena vrstvou $100\text{ nm}$ zlata a ochrannou vrstvou $\mathrm{SiO}_2$. Odrazivost v pásmu $0,8 - 28,\mu\text{m}$ přesahuje $98,$. Úhlové difrakční rozlišení (Rayleighovo kritérium):

Observatoř obíhá po kvaziperiodické halo orbitě kolem kolineárního Lagrangeova libračního bodu $L_2$ systému Slunce-Země ve vzdálenosti $\approx 1,5 \times 10^6\text{ km}$ od Země v anti-solárním směru. Tato konfigurace umožňuje trvalé zastínění optiky a přístrojů před Sluncem, Zemí i Měsícem jediným pětivrstvým štítem.

Štít je zhotoven z polyimidového filmu Kapton E pokrytého hliníkem a dopovaným křemíkem. Pět vrstev oddělených vakuovými mezerami funguje jako vícestupňový radiační výměník tepla:

• Vrstva 1 (osluněná): absorbuje záření $1361\text{ W/m}^2$, ohřívá se na $T_1 \approx 358\text{ K}$ ($+85^\circ\text{C}$).
• Vrstva 5 (studená strana): vyzařuje zbytkové teplo do volného prostoru, teplota klesá na $T_5 \approx 36\text{ K}$ (pasivní chlazení).

Zatímco NIR přístroje operují pasivně při $\approx 37 - 39\text{ K}$, přístroj MIRI vyžaduje detektory z křemíku dopovaného arsenem (Si:As IBC), jejichž temný proud vyžaduje chlazení na $T < 7\text{ K}$. MIRI je aktivně chlazen mechanickým heliovým kryochladičem s pulzní trubicí (Closed-Cycle Helium Pulse Tube Cryocooler), který odvádí tepelný výkon $65\text{ mW}$ při teplotě $6,7\text{ K}$.

1. NIRCam (Near-Infrared Camera): Primární zobrazovací kamera pro vlnové délky $0,6 - 5,0,\mu\text{m}$. Využívá HgCdTe detektory o rozlišení $2048 \times 2048$ pixelů s laditelnými filtry a lyotovou koronografií pro přímé zobrazování exoplanet s kontrastem $10^{-5}$ až $10^{-6}$.
2. NIRSpec (Near-Infrared Spectrograph): Multiobjektový spektrograf ($0,6 - 5,3,\mu\text{m}$) vybavený polem mikroštěrbin (Micro-Shutter Array - MSA) s 250 000 individuálně adresovatelnými mikro-uzávěry umožňujícími současnou spektroskopii až 100 vzdálených galaxií v jediném zorném poli.
3. MIRI (Mid-Infrared Instrument): Zobrazovací kamera a integrální terénní spektrograf pro střední infračervené pásmo $4,9 - 28,8,\mu\text{m}$. Poskytuje spektroskopii s vysokým rozlišením pro studium polycyklických aromatických uhlovodíků (PAH), prachových disků a chladných atmosfér.
4. NIRISS / FGS (Near-Infrared Imager and Slitless Spectrograph / Fine Guidance Sensor): Širokoúhlý bezštěrbinový spektrograf optimalizovaný pro transmisní spektroskopii atmosfér tranzitujících exoplanet v pásmu $0,6 - 5,0,\mu\text{m}$.