NorESM simulerer blant annet vind, temperatur, nedbør og skydekke i atmosfæren; strøm, temperatur og saltholdighet i havet; vegetasjon på land og fuktighet og temperatur i jordsmonnet; og utstrekning og tykkelse til snø og is på land og på havet. Den strukturelle sammensettingen av NorESM bygger i stor grad på CESM (Community Earth System model), men med en havmodul som er unik for NorESM og en rekke særegne tilpassinger i modulene for atmosfære, vegetasjon og kryosfære.