במהלך פיתוח ה-A-12 היו צריכים מהנדסי לוקהיד לבחור את סוג החומר שירכיב את גוף המטוס. התנאים שהמטוס צפוי היה לחוות במהירות גבוהה היו מגבילים מאוד. לדוגמה, הטמפרטורה הממוצעת של גוף המטוס הייתה בין 238 מעלות צלזיוס ל-327 מעלות צלזיוס, בעוד שבאזורים החמים ביותר הטמפרטורה הייתה צפויה להיות 565 מעלות צלזיוס. תנאים כאלה מנעו שימוש באלומיניום אשר בטמפרטורות הללו היה מאבד מהתכונות האלסטיות שלו. החלופות שעמדו לטובת המהנדסים היו סגסוגות פלדת אל-חלד וטיטניום. פלדת אל חלד נשאה בחובה שימוש במבנה כוורת בשביל להקטין את המשקל של המטוס, בדומה למה שבוצע ב-XB-70, אך מבנה זה היה צפוי להגדיל את שטח הפנים של המטוס וכן למהנדסי לוקהיד לא היה את הניסיון הנדרש בסוג מבנה זה בשביל להשתמש בו, בשל כך נבחר הטיטניום אשר היה בעל חוזק מכני הדומה לפלדת אל חלד, קל ממנה פי שניים, והכלים לעיבודו ברובם דומים לכלי עיבוד הברזל.
גוף המטוס הורכב משלושה סוגי סגסוגות טיטניום. העיקרית שבהן היא סגסוגת Beta B-120VCA, ובסגסוגות Alpha A-110AT ו-C-120AV נעשה שימוש משני. כמו כן היה שימוש מוגבל בסגסוגת פלדת אל חלד מסוג A-126 בחלקים קטנים של המעטה החיצוני והמבנה הפנימי. באזור המפלט שבבית המנוע שבו הטמפרטורות היו צפויות להיות לקיצוניות במיוחד נעשה שימוש בסגסוגות ניקל מסוגים René 41 ו-Hastelloy-X.
עבור המשטחים האחרים דוגמת משטחי ההיגוי, חרוטי הכונסים, הטיפול הצורני והמנשק הזוויתי, נבחרו חומרים מרוכבים מוקשחים מיוחדים מפנילסילן, סיליקון-אזבסט ופיברגלס.
המטוס מפורסם בשל צבעו השחור אשר בגללו הוא מכונה הציפור השחורה. הצבע נבחר עקב חוק הקרינה התרמית של קירכהוף שקובע שהחומר היעיל בספיגת הקרינה הוא גם החומר היעיל בהקרנתו. מטוסי הניסוי הראשונים של ה-A-12 לא נצבעו כלל. דגמי היצור הסדרתי הראשונים של ה-A-12 וה-YF-12 נצבעו בשחור באזורי המנשק הזוויתי, הגחון ושפות ההתקפה של הכנפיים, בעוד ב-SR-71 המטוס כולו נצבע בשחור בשביל לנצל את האפקט בצורה המרבית. כמו כן כלל הצבע שפותח חומרים סופגי קרינת מכ"ם להקטנת חתך המכ"ם של המטוס.
מאפייני מבנה וגוף המטוס.
גוף המטוס מורכב משני חלקים עיקריים, המבנה הקדמי המתחיל מאף המטוס ומסתיים באזור בו מתחילות הכנפיים. הוא כולל את תאי הטייסים, שני תאי דלק קדמיים, כן הנסע הקדמי ומכשירי האלקטרוניקה והביון. המבנה הקדמי מכיל גם את מבנה המנשק הזוויתי (באנגלית: Chines) שכלל בעיקר במטוסי ה-A-12 את הטיפול הצורני, שעזר בהקטנת חתך המכ"ם של המטוס. כאמור, בדרישות חיל האוויר האמריקאי ל-SR-71 לא הייתה דרישה לחתך מכ"ם נמוך ולכן המנשק הזוויתי היה מורכב כולו מחומרים מרוכבים. כמו כן היווה המנשק מבנה אווירודינמי שבתנאי שיוט היה יוצר כ-20 אחוז מהעילוי של המטוס, עוזר ביציבות בסבסוב על ידי יצירת מערבולות שהיו נצמדות לכנפיים בזוויות התקפה גבוהות ומונע בכך ממרכז העילוי לנוע במהירויות על קוליות.
המבנה האחורי של המטוס מתחיל באזור שפת ההתקפה של הכנפיים ונגמר בזנב המטוס הכולל את שני בתי המנועים, כנפי הדלתא, משטחי ההיגוי (4 אלוונים ושני הגאי כיוון), שני כני הנסע הראשיים, וארבעת תאי הדלק האחוריים. במטוס ה-SR-71 הוארך מכל הדלק השישי, כך שיצר בליטה בזנב המטוס בשל הוספת תא הטייס והארכת הגוף הקדמי, על מנת לשמור על מרכז הכובד במקום המוגדר ולהגדיל את כמות הדלק.
בשלבים מוקדמים של תוכנית הפיתוח, התגלה שמבנה רגיל של כנפיים עם מספר קורות לאורך הכנף ומספר קורות לרוחב שנשאו בכל העומס בטיסה, מתחיל להתעוות בצורה מסוכנת. כדי למנוע את התופעה פותח מבנה כנף "המעטה האחיד" שפיזר את העומס בגוף המטוס מהקורות לעבר הפנלים החיצוניים, ומבנה כנפיים שכלל מספר רב של קורות לאורך המיתר למניעת עיוות הכנפיים. המעטה החיצוני בין הקורות היה קעור ובנוסף לקשיחות הנוספת שהקנה, הוא עזר גם בהקרנת החום מהגוף של המטוס. החלק החיצוני של הכנפיים כלל קימור כלפי מטה באזור שפת ההתקפה שהגדיל את יציבות המטוס בגבולות מעטפת הביצועים, הגדילו את העילוי בכל תנאי הטיסה ושיפרו את מצב האף הנדרש בטיסה מהירה ותדלוק.
אזור החיבור בין מבנה הגוף הקדמי לאחורי הייתה נקודת התורפה המבנית הגדולה של המטוס, ואכן, במספר תאונות כשל הגוף באזור זה. כמו כן, תוכנן גוף המטוס לתופעת ההתפשטות של החומר עם התחממותו ועל הקרקע היה פער גלוי לעין באזור זה בין המבנה הקדמי לאחורי (בעיקר בין הכנפיים לגוף) שהיה נסגר בטיסה מהירה.
הדלק במטוס אוחסן בשישה תאי דלק, אשר היוו חלק אינטגרלי ממבנה המטוס. דפנות התאים הנמצאות במעטה החיצוני של המטוס בעיקר בגחונו היו דולפות בצורה תמידית. זאת מכיוון שמהנדסי לוקהיד לא הצליחו לייצר חומר איטום לפנלים החיצוניים של המטוס שיכל לשרוד את תנאי הטיסה הקיצוניים.
היגוי ובקרת טיסה.
על מנת לקבל את ביצועי השיוט המיטביים בחרו מהנדסי לוקהיד בטווחי יציבות מטוס צרים מאוד, משום שמטוס יציב דורש פקודת הגאים גדולה לגרימת תגובה משמעותית של המטוס. פקודת קיזוז גדולה במהלך שיוט במהירויות גבוהות משמעותה גרר טפילי גדול מאוד שפוגם בביצועי המטוס. טווחי יציבות קטנים התבטאו במרכז כובד קרוב למרכז העילוי והגאי כיוון קטנים יחסית.
על מנת לפצות על טווחי היציבות הקטנים פותחה מערכת הגברת יציבות (Stability Augmentation System - SAS) דו ערוצית המודדת תמידית את תנועת המטוס ומפצה מיד על השגיאות שנוצרות. המערכת אף מסוגלת לשכך ולתקן מצב של דחף אסימטרי בין המנועים עד למהירות ועוצמה מסוימות. המערכת תוכננה להיות אמינה ביותר, ואכן, בדיקה סטטיסטית במהלך השירות של ה-SR-71 העלתה שהמערכת חוותה תקלה אחת ל-130,000 שעות טיסה בממוצע.
במקור, הייתה מערכת בקרת הטיסה של "הציפור השחורה" אנלוגית עם מגברים למערכות ה-SAS, נתוני האוויר והטייס האוטומטי. בתחילת שנות השמונים בוצעה השבחה למטוס במהלכה הוחלפה המערכת האנלוגית במערכת דיגיטלית הכוללת את כל הפונקציות של בקרת טיסה, טייס אוטומטי, מערכת נתוני האוויר, מערכת התראת הזדקרות וכן מערכת בקרת הכונסים - Digital Automatic Flight and Inlet Control System (בר"ת: DAFICS). המערכת החדשה כללה שלושה ערוצי בקרה שרוכזו בשלושה מחשבים עיקריים: A, B ו-M.
משטחי היגוי.
בשל שילוב כנף הדלתא ללא זנב, מנוהג המטוס על ידי ארבעה משטחי אלוון (שניים במרכז הגוף ושניים בחלק החיצוני של בית המנוע) המשלבים פעולות של הגאי גובה ומאזנות. בשביל לתאם את תנועת האלוונים, המטוס כולל מערבל הגאים המורכב בזנב המטוס, מקבל פקודה מכנית ממשק הטייס ("סטיק") ומתאם בין תנועת ההגאים בשביל ליצור את התגובה הרצויה במרחב. את התנועה עצמה מייצרים מכלולי סרוו המפקדים על שני צילינדרים החוברים למשטחי ההיגוי. מפעילי האלוון החיצוניים משועבדים למשטחים הפנימיים על ידי חיבור מכני ביניהם. במקרה של תקיעה במשטחי האלוון החיצוניים ישנו מנגנון אשר מנתק מכנית את חיבור המשטחים על מנת למנוע תקיעה של כל המשטחים בבת אחת.
הגאי הכיוון הם משטחי ניהוג אחידים הכוללים את מבנה מייצבי הכיוון וזאת בשונה ממרבית המטוסים האחרים, משום שנבחרו ספי יציבות נמוכים בסבסוב ומשטחי מייצב כיוון קטנים. הגאי הכיוון עצמם מופעלים על ידי צילינדרים הדומים לאלה של האלוונים אך הם מפוקחים ישירות ממכלול הדוושות. הגאי הכיוון אינם מתואמים בקיזוז ולכן הטייס צריך לקזז כל הגה בנפרד בשביל ביצועי שיוט מיטביים.
בטיסה מעל מאך 0.5 מפעיל הטייס מערכת המגבילה את הגאי המטוס למחצית מהטווח שלהם, זאת כדי למנוע כניסה של המטוס לתמרונים מסוכנים במהירות גבוהה. כל מפעילי ההיגוי מקבלים בנוסף לפקודה המכנית פקודה חשמלית דו ערוצית ממערכת ה-SAS.
מערכת נתוני אוויר.
נתוני האוויר קריטיים למערכות הבקרה של המטוס ולטייס. נתוני האוויר של המטוס נמדדים על ידי מכלול צינור פיטו מיוחד הכולל שני צינורות למדידה של מספר רב יחסית של נתונים. ישנם מחוונים בתא הטייס שמשתמשים ישירות בלחץ הנמדד מהצינורות הללו. המידע הקריטי, בעיקר במהירות גבוהה נמדד על ידי מתמר ה-Pressure Transducer Assembly (בר"ת: PTA) הממיר את המידע מצינורות הפיטו למידע דיגיטלי המגיע למחשבי ה-DAFICS. ב-DAFICS מתבצע חישוב של כלל הנתונים הנדרשים למטוס כגון: מהירות אוויר ב-KEAS, גובה ברומטרי, מספר מאך, זווית התקפה, זווית החלקה וכדומה.
מערכת טייס אוטומטי.
מערכת הטייס האוטומטי עובדת בשני ערוצים עיקריים ועצמאיים: עלרוד וגלגול. בעלרוד ישנם שלושה אופני פעולה: שמירת מצב חרטום יחסית לאופק, שמירת מספר מאך ושמירת מהירות אוויר מושווה (KEAS). בגלגול, אופני הפעולה הם: שמירת מצב אופק בגלגול, שמירת כיוון וניווט אוטומטי בעזרת נתוני נקודות ציון מה-ANS.
דלק.
מהנדסי לוקהיד תכננו את המטוס כך שישתמש בדלק סילוני מיוחד. דלק זה הוא בעל נדיפות נמוכה, טמפרטורת הצתה גבוהה ומסוגל לשמן את מערכות המטוס. חברת הנפט רויאל דאטש של פיתחה לצורך זה את הדלק JP-7 והוא שימש בנוסף להנעת המטוס גם לקירור הגוף, המכשירים, כני הנסע וכן כשמן של המערכת ההידראולית של המנוע.
בשל טמפרטורת ההצתה הגבוהה של הדלק והנדיפות הנמוכה שלו, לא מסוגלים מצתים חשמליים סטנדרטיים להצית את הדלק בתוך המנוע. על מנת לאפשר הצתה נעשה במנוע שימוש ב-Triethylborane(בר"ת: TEB) שהוא חומר שניצת במגע עם האוויר. הפעולה של ה-TEB משמשת הן להנעה ראשונית של המנוע והן להצתת המבער. לכל מנוע יש מכל המסוגל לספק 16 הזרקות של TEB במהלך גיחה והוא אחד מהגורמים המגבילים בתפעול המטוס.