主砲は天龍型と同じ50口径三年式14cm砲で単装7門は上記のように配置された。片舷砲力は6門で、艦橋両舷の3番、4番砲は首尾線上への発射も出来る。後部の主砲は上甲板より1段高い上構上に設置され、前部主砲と同じ高さになる。これは後部上甲板を一号機雷敷設に充てるためと言われる。また、日本海軍巡洋艦として初めて新造時から方位盤射撃装置を装備、このため射撃指揮所のある前部マストは三脚式となった。8cm高角砲は天龍型では後甲板に1門装備だったが、本型では1番煙突の両舷に装備し計2門となっている。1935年(昭和10年)頃に行われた近代化改装で13mm連装機銃2基に換装、太平洋戦争開戦時には更に25mm連装機銃2基に換装されていた。ただし1938年(昭和13年)3月調べの海軍省年報によると球磨・北上・大井は三年式8cm高角砲1門をまだ装備しており留式7.7mm機銃2挺、山ノ内5cm礼砲2門を装備、球磨は高角砲が無く留式7.7mm機銃2挺と保式13mm機銃4挺(連装2基)、木曽も高角砲はなく留式7.7mm機銃2挺と毘式12mm機銃2挺を装備するなど、各艦で相違がある。太平洋戦争での機銃増備は多摩の場合、5番主砲と7番主砲、航空兵装を撤去、7番砲跡に12.7cm高角砲連装1基を装備したほか、25mm機銃は3連装5基、連装4基、単装16挺、13mm機銃単装8挺を装備したという。
垂線間長は天龍型から60フィート(18.288m)長くなり、500フィート(152.400m)になる。高速力が必要なため船体は細長くなり、その船体形状(ライン)は船型試験所での水槽試験で決定された。凌波性の必要から艦首乾舷の高い船首楼型船体を採用し、船体中央にも艦幅いっぱいに短艇甲板を設けた。船首楼甲板は艦首からF(フレーム・ナンバー)73までの長さ47.55m、高さは上甲板から2.44mだった。また中央の短艇甲板はF87からF155までの長さ41.27mで、高さは2.13mだった。艦首はいわゆるスプーン型であり、凌波性や船体抵抗で劣るが1号機雷を乗り切るために採用された。艦尾はデストロイヤー・スターンになっている。舵は大型の半平行舵だったがその抜き差しは困難で、5,500トン型以後の高速艦艇に半平行舵は使用されなかった。
設計主任は天龍型に続いて河合定二造船少監で、1917年(大正6年)に設計がまとまった。イギリス海軍の後期C級軽巡洋艦やD級軽巡洋艦を手本としたイギリス式の軽巡洋艦であり、直線的な船体で艤装も簡素なもので、各所に駆逐艦式の考えが適用された。加えて日本海軍では艦隊決戦に備えて強力な砲力、魚雷兵装、1号機雷敷設設備や通信設備を備えた司令部施設が必要であり、水雷戦隊旗艦として36ノットが要求され、その他に波の荒い太平洋での作戦のために凌波性が求められた。艦の構造を前部から記述すると、艦首甲板上に主砲の14cm砲を単装砲架で背中合わせに1番・2番主砲を1基ずつ計2基を搭載、その背後に露天の操舵艦橋と竣工時から三脚式の前部マストの左右に3番・4番主砲を1基ずつ配置した。船体中央部に等間隔に立つ3本煙突を前後から挟み込むように53.3cm魚雷発射管が連装で前後に片舷1基ずつ計4基8門を配置した。煙突の周囲には丈の低い通風筒が立ち並び、舷側部は艦載艇置き場となっており、艦載艇は2本1組のボート・ダビッドが片舷3組ずつ計6組で運用された。8cm高角砲は1番煙突の両舷に片舷1基ずつの計2基が配置された。
本級の設計を特徴づけるのが幅広の船体である。従来の米軍艦ではL/B比の大きな細長い船体を採用していたが、特に第二次世界大戦後、アメリカ海軍軍人が同盟国やソビエト連邦の艦艇に便乗する機会があった場合、自国艦より荒天時の乗り心地が良いことが実感されていた。このことから、ソ連艦船の研究成果や、1960年代にNSRDC（Naval Ship Research and Development Center）で行われた研究を踏まえて、L/B比が小さく幅広で、トランサムに顕著なフレアを付し、艦首側形状も従来のU形ではなくV形にし、キールの上への反り返りも従来より艦尾側から始まるようにして、ビルジもより厳しくするなど、従来と大きく異なる設計案が作成された。しかしこの設計では、従来型の船体よりも造波抵抗が大きいという問題があったことから、NAVSEA部内では、これとあわせて従来通りの細長い船体の案も検討された。この時点で、1番艦がアーレイ・バーク提督にちなんで命名されることは決まっていたことから、バーク提督の「31ノット・バーク」という異名にあわせて、高速性能に優れた細長い船体のほうが良いのではないか、という冗談も飛ばされた。しかし結局、いずれも一長一短で甲乙つけがたかったために、最終的にコイントスで決定されたという冗談のようなエピソードがある。その後建造されたイージス艦が基本的に本艦をタイプシップとしていることから、ある意味1枚のコインが現代軍艦の歴史を決めたとも言える。この幅広船体は、確かに平水中での速力に劣る面はあったが、一方で荒天時の速力維持という面ではむしろ有利であり、ネームシップの海上公試では、波高35フィート (11 m)、風速60ノットという苛烈な海況においてすら30ノットの速力を維持できた。なお幅広船体によって増大した抵抗を少しでも低減するため、艦尾にはウェッジが付されており、後には燃費改善のため固定フラップも備えられた。またスプルーアンス級やタイコンデロガ級と同様にフィンスタビライザーは備えられていないが、本級では舵に減揺機能が組み込まれている。建造費削減のために配管などの部分をスプルーアンス級と共通にしたり、内火艇を廃止して7メートル級複合艇を搭載するなどの工夫をしている。イージスシステム関連の重量の問題から各所で軽量化に気を配っており、例えば投揚錨装置は主錨、副錨、揚錨機各1基という同規模の艦に比べて貧弱なものになっており、これは海上自衛隊では2,000トン程度の小型艦（乙型護衛艦（DE））でのみ用いられる方式である。