H-IIBロケットで高度200km/300kmの楕円軌道に打ち上げられたHTVは、NASAの追跡・データ中継衛星TDRSとの通信を開始し、筑波宇宙センターにあるHTV管制センター (HTV-CC) の管制を受ける。HTVが正常であることが確認されると、約3日間掛けて国際宇宙ステーション (ISS) から23kmの位置まで接近する。この距離では、きぼうに設置された近傍域通信システム（Proximity Communication System: PROX）との通信が可能になる。きぼうに搭載されているGPS受信機を利用したGPS相対航法 (RGPS) により、ISSと同じ高度で、ISSの5km後方の接近開始点 (AI点 (Approach Initiation Point)) に投入される。AI点まで正常な状態が確認できれば、AIマニューバ(AI Maneuver)により接近を継続する。何らかの理由で接近を中断したい場合は、AI点にて相対的に停止（ISSと一定の位置関係を保持）する。
HTVの運用管制は筑波宇宙センターの宇宙ステーション運用棟内にあるHTV運用管制室（HTVMCR）で行われており、HTVがISSの後方5kmに到達する90分前からはNASAのジョンソン宇宙センター（JSC）にあるミッションコントロールセンター（MCC-H）との統合運用が行われる。運用管制の訓練、打ち合わせは打ち上げの1年以上前から行われており、HTV運用管制チーム（HTV FCT）は、3交代の24時間体制で常時約20名が運用を行っている。運用管制要員のHTV1での認定者は67名、HTV2での認定者は76名となっている。HTVの手順書は1,800種類以上あり、NASAとの手順書も数百種類ある。また、2011年のこうのとり2号機ではミッション中に起きた東北地方太平洋沖地震により、一時的に宇宙ステーション運用棟の管制設備が使えず、NASAの管制センターに管制官を派遣して対応した。この一件により、筑波宇宙センター内の別の建物内にHTVの予備管制センターが設置されている。
フェアリングは本来、H-IIBロケットに含まれる部分であるが、HTV打ち上げ時には専用の5S-H型を使用する。通常の5S型フェアリングより全長が長く、上部に1.4m四方のハッチがあり、HTVをフェアリングに収めた後も補給キャリアに入室でき、搭載試料や生鮮食料品などを打ち上げ直前にも搬入することができる（レイトアクセス）。レイトアクセスで搭載できるCTBの数は5号機で92個にまで増加し、他国の輸送船と比較してもHTVが最大の能力となっている。
軌道変更や姿勢制御のための推進装置を装備する区画。燃料（MMH: モノメチルヒドラジン）タンク2基、酸化剤（MON3: 窒素添加四酸化二窒素）タンク2基、軌道変換用メインエンジン4基、姿勢制御用RCSスラスタ28基を装備する。実証機と2号機と4号機のメインエンジン（R-4D）とRCSスラスタ（R-1E）は、米エアロジェット社製であるが、3号機と5号機以降はIHIエアロスペース社製の国産品（メインエンジンはHBT-5、RCSスラスタはHBT-1）に置き換えられる。この国産エンジンへの切り替えにより、今まで使っていたエンジンとは特性が異なるのに対応するため、こうのとりのISSへの接近運用が多少変更されており、改めてNASAの安全審査を一部受審している。
誘導制御系・電力供給系・通信データ処理系・通信系の電子機器を搭載する。なお、太陽電池はプログレスやATVと異なり、パドル形ではなく、電気モジュールや補給キャリアの外面に取り付けられる。これはHTVがプログレスやATVのような自動ドッキングではなく、共通結合機構(CBM)を用いての接続のため、カナダアーム2による把持（キャプチャ）させるためにはパドルがあると邪魔になるからである。しかし、HTVと同じ結合方式となる米国の商業補給機ドラゴンとシグナスは太陽電池パドルを使う方式を採用しており、設計次第ではどちらでも可能である。太陽電池パネルはこうのとりの外壁に、4号機では55枚、5号機で49枚、6号機と7号機は48枚搭載されており、6号機以降では補給キャリア与圧部の外壁に20枚、非与圧部の外壁に20枚、電気モジュールの外壁に8枚、推進モジュールの外壁に0枚（初号機では6枚あり、段階的に減らして6号機以降は0枚となっている。）という内訳となっている。
国際宇宙ステーション (ISS) に補給する物資を搭載する区画。与圧部と非与圧部からなる。ISSに補給品を送り届けた後、不要品を搭載して大気圏に突入し、焼却処分する役割も持つ。なお、開発初期段階では非与圧部がなく与圧部を大きくした構成も発表されていた。最近の構想図でも、与圧部のみの構成や非与圧部のみの構成が掲載されているが、将来このような様々な構成を使用する予定があるのかは未公表である。以下、混載型の補給キャリアについて解説する。
海上で漁師に救助されたボーンはウォンボシ暗殺の件や自身の身分はおろか、自身の氏名すら忘れており、治療の際に取り出された体内に埋め込まれていたマイクロカプセルの情報からスイス、チューリッヒの銀行に向かう。銀行の金庫に預けられていたのは拳銃、大金、カラーコンタクト、多数のパスポート、身分証明書などであった。入手したパスポートなどの身分証を手掛かりに記憶を失った自分が何者であるのかを探るべく、パリに向かう。一方、ボーンが作戦に失敗し、逃走したと考えていた現場指揮官のデッド・コンクリンは事態収拾のためにトレッドストーンの工作員を派遣、ボーンが失敗したウォンボシの暗殺を改めて遂行すると共に現地警察の協力を得てボーンを追う。ボーンは偶然知り合ったマリー・クルーツという女性の協力の元、追跡チームの襲撃をかわしながら手掛かりを追ってスイス、フランスとヨーロッパ各地を転々とし、情報を集めるうちに自身がウォンボシ暗殺に関わっていることを察する。コンクリンに接触するが、コンクリンはボーンを「自分が手塩にかけて鍛えたお前は、子供の前で人一人殺せない役立たず」と罵倒する。記憶を失ったことで殺人への嫌悪感が芽生えていたボーンは自分をこれ以上追跡しないように恫喝し、各地を巡る道中で愛し合うようになったマリーと共に姿をくらませる。トレッドストーン計画の総責任者であるウォード・アボットは事態の収拾が不可能になったと判断し、指揮官であるコンクリンを抹殺することで収束を図る。結果、コンクリンは工作員によって暗殺、彼の死をもってトレッドストーン計画は終了した。