球磨型は速力36ノットが要求され、必要な出力は90,000SHP(軸馬力)だった。この出力は軽巡洋艦を多数建造していたイギリス海軍でもまだ無く、アメリカ海軍で計画されていたオマハ級軽巡洋艦と同じだった。日本海軍で開発されていたタービンの最大出力は峯風型駆逐艦の1基19,250SHPで、本型では技術本部第5部が大体計画を行い、三菱で詳細設計を行った三菱・パーソンズ・技本式オール・ギアード・タービン(1基22,500SHP)を4基搭載した。これは低圧タービンがパーソンズ式反動型を三菱が改良したもの、高圧タービンが海軍技術本部(技本)が設計した衝動型だった。このうち前部機械室の2基(外軸駆動)には巡航タービンを接続していた。巡航タービン自体は後部機械室にあり、巡航タービンの排気は後部機械室にある2基(内軸駆動)に導かれ低速での燃料消費量を低減するように計画されていた。なお、川崎造船所で建造された大井のみブラウン・カーチス式タービン(高低圧)を搭載していた。オール・ギアード・タービン採用の初期であり(巡洋艦では天龍型から)、この時期にはまだタービンの故障が頻発していた。缶(ボイラー)はロ号艦本式重油専焼水管缶が天龍型より2基多い10基(大型6基、小型4基)となりこれに重油・石炭混焼水管缶2基を加えて12基とした。蒸気は圧力18.3kg/平方cm、温度は飽和(100℃)である。第1缶室に混焼缶2基、第2缶室は重油専焼缶(小型)4基、第3缶室に重油専焼缶(大型)4基、第4缶室に重油専焼缶(大型)2基が設置された。1番煙突は小型4基(混焼缶2基、専焼缶2基)、2番煙突は小型(専焼缶)2基と大型(専焼缶)2基、3番煙突は大型(専焼缶)4基の排煙を受け持った。石炭庫は第1缶室の前方に配置された。
竣工時より航空機の搭載を考慮した初めての日本海軍艦艇になる。計画当初は航空機の搭載を考慮されていなかったが、5番、6番砲直下にあった機雷庫を格納庫にあて、分解した水偵(水上偵察機)を搭載可能にした。運用のために後部マストにデリックを設置、水偵はシェルター甲板上で組み立てて、デリックで海面に降ろして発進させる方式だった。この時には艦を停止または微速航行させる必要があり、この当時の水偵では外洋での発進は無理で、実用的ではなかった。木曽は、長良型で採用予定の滑走台をテストケースとして設置した。艦橋を拡大して羅針艦橋下に格納庫を設置、2番主砲の上部に陸上機用の滑走台(長さ30フィート)が設けられた。木曽での実験は一応成功とされ続く長良型・川内型にも採用されたが、発艦した機は陸上か航空母艦に降りる必要があり、航行中は母艦に帰艦出来ないなど不便なものだった。木曽の場合は実験後しばらくして滑走台を陸揚げし、必要な時に再装備出来るように1940年(昭和15年)頃まで保管されていたという。球磨は1932年(昭和7年)、多摩は1934年(昭和9年)に呉式2号射出機を5番・6番主砲の間に1基を設置して九〇式二号水上偵察機を運用できるようにした。残りの3隻は射出機を装備しなかったが、その理由は明らかでない。
当初の計画では天龍型と同様に53cm3連装魚雷発射管2基を艦の中心線上に装備する計画だったが、天龍型の使用実績では荒天時に転舵で目標が反対舷に変わる時に追随できないなど、運用に困難があった。本型では射線の減少を忍んで六年式(53cm)連装発射管を両舷に2基ずつ装備、片舷4射線になる。予備魚雷を含めて魚雷は16本搭載した。後甲板は1号機雷敷設のための機雷投下軌道2条を装備する。機雷庫は7番砲下にあり、48個を格納した。球磨・多摩では1号機雷用の敷設設備が完成していなかった。このためこの2艦の竣工時は5号機雷150個を搭載することになっていたようである。1号機雷の敷設実験は竣工早々の北上で行われ、以後1号機雷48個、5号機雷64個が定数となったようである。
現代から、約2000年前の古代中国。五行を操る魔力と、強大な武力を持った皇帝は、全土制圧の野望に取り付かれていた。その達成の為、不死の力を必要とした皇帝は、妖術師の女ツイ・ユアンに不死の力獲得を命じ、部下のミン・グオ将軍を伴わせ、遥かシルクロードに派遣した。そこでツイ・ユアンは不死の魔術を発見する。目的を果し都に戻って来た2人だが、彼女がミン・グオと愛し合うようになったことを知った皇帝は、2人に卑劣な罠を仕掛けた。愛するミン・グオが処刑される姿を目の当たりにしたツイ・ユアンは、深い悲しみと怒りから皇帝と臣下全員に呪いをかける。そして命からがら危機を脱したツイ・ユアンは、燃えさかる炎に包まれ陶器に姿を変えていく皇帝たちを後に、広大な大陸へと消えていった。それから2000年後の1946年。オコーネル夫妻は、第二次世界大戦終結後のロンドンで幸せに暮らしていた。妻のエヴリンは、過去2回のエジプトのミイラと戦った冒険談を元に小説を出版し、作家として大成功。いっぽう、戦時中は諜報活動で数々の手柄をあげた夫のリックは、いまや魚釣りが日課という退屈な日々を送っていた。そんな彼の元に、外務省から舞い込んで来た新たな任務が、持ち主を不死の泉へ導くという伝説が宿るブルーダイヤ＜シャングリラの眼＞を、上海の博物館へ戻しに行く仕事だった。博物館の館長が友人のロジャー・ウィルソンであり、上海にはエヴリンの兄ジョナサンもいることから、ダイヤの移送を引き受けることにしたオコーネル夫妻。だが2人は、ハーバード大学に留学しているはずの息子のアレックスも中国にいて、2000年前の皇帝陵を発掘するという、大偉業を成し遂げたことを全く知らなかった。上海に到着したオコーネル夫妻は、さっそくジョナサン経営のナイトクラブ「イムホテップ」を訪問する。そこでアレックスと鉢合わせした2人は、思い掛けない再会に驚愕。しかし、更なる驚きが彼らを待ち受けていた。翌日、アレックスが発見した皇帝のミイラを見ようと上海博物館を訪れたオコーネル夫妻は、館長ウィルソンが、中国を世界の最強国にしようと目論むヤン将軍と組んでいたことを知る。夫妻がイギリスから運んできた＜シャングリラの眼＞は、皇帝復活の儀式に不可欠の品だったのだ。復活の儀式を強行するヤン将軍。リックとエヴリンは、なんとかそれを阻止しようと激しい抵抗を試みるが、将軍はブロンズの馬が率いる馬車で、息を吹き返した陶器の姿のままの皇帝を連れ去ってしまう。