分为三个部分：空间区段（空间的卫星星座）、控制区段（地面监控、支持部分）和用户区段（接收机等用户设备）。空间区段和控制区段由美国国防部负责维护和操作，用户区段则是开放的，由第三方设备开发商提供。

早在苏联成功发射世界上第一颗人造地球卫星时，美国约翰斯·霍普金斯大学应用物理实验室G.C.韦芬巴克（G.C.Weiffenbach）就利用固定在已知地理位置上的自制的无线电接收设备对该卫星发射的信号进行多普勒频移观测，并测定了卫星轨道参数。同实验室的F.T.麦克雷（F.T.Meclure）则提出了反问题，提出利用人造卫星进行定位的设想。1958年底，美国海军武器实验室对该实验室的研究进行了资助，并于1959年9月发射第一颗用于导航的卫星，进而建成世界上第一个卫星导航系统——子午仪系统。20世纪60年代中期，鉴于子午仪系统的成功及其存在的缺陷，美国海军和空军开始分别研究更先进的卫星导航系统，并各自提出了自己的计划。1973年美国国防部决定将这两个计划合并，由空军牵头，成立联合计划局，在洛杉矶空军航天处内设立办事机构，组成人员来自美国陆军、海军（包括海军陆战队）、国防部制图局、交通部等单位，负责部署研制适合各军种共同使用的全球定位系统，这就是GPS导航系统。

该系统的民用服务在1993年12月实现满负荷运行。20世纪90年代美国启用了选择可用性（SA）政策，人为降低了民用服务的精度，在一定程度上妨碍了该系统的推广应用。迫于其他卫星导航系统和差分技术发展带来的压力，2000年5月1日0点起取消了选择可用性政策，GPS导航系统在各个应用领域迅速得到推广。

GPS导航系统空间部分由24颗卫星组成核心星座，分布在6个轨道面上，每个轨道平面升交点的赤经相隔60°，轨道平面相对地球赤道面的倾角为55°，每根轨道上均匀分布4颗卫星，相邻轨道之间的卫星要彼此相差30°，以保证用户在地球各处能同时观测到高度角15°以上的至少4颗卫星。新增加的卫星能够提高GPS的性能指标，但是不被认为是核心星座的组成部分。2011年6月，美国空军成功地完成了GPS导航系统星座的扩展工作，增加了3颗卫星，6颗卫星被重新定位，新的星座称为“扩展24”配置（Expendable 24 configuration）。

卫星轨道平均高度约为20200千米，运行周期为11小时58分钟。GPS导航系统空间卫星的设计和发射分为3个阶段。第一阶段（Block Ⅰ），发射的卫星通常被称为GPS实验卫星。从1978年到1984年共研制和发射了11颗卫星，卫星的设计寿命为5年，用于GPS导航系统的实验。第二阶段（Block Ⅱ，Block Ⅱ A），发射的卫星通常被称为GPS工作卫星。从1989年2月14日发射成功到1994年3月10日共研制和发射了24（21+3）颗卫星，卫星的设计寿命为7.5年，宣告了GPS导航系统进入了工程实用阶段。第三阶段（Block ⅡR，Block ⅡR-M，Block ⅡF），发射的卫星通常被为更新工作卫星，从1997年到2004年发射了12颗Block ⅡR卫星，设计寿命7.5年；从2005年到2009年发射了7颗Block ⅡR-M卫星，设计寿命7.5年；从2010年到2016年发射了12颗Block ⅡF卫星，设计寿命12年。截止到2017年6月30日，在轨正常工作的GPS导航系统卫星有31颗，均为第三阶段的更新工作卫星。最后一颗第二阶段的GPS工作卫星已于2016年退役。地面监控部分由1个主控站、3个注入站和5个监测站组成，分布于地球的5个地点。

GPS导航系统空间星座部分和地面监控部分是用户应用该系统进行导航定位的基础，而用户只有使用GPS接收机才能实现其定位、导航的目的。

GPS导航系统采用双频伪随机噪声码测距导航体制。测距码有两种，分别为频率为1.023兆赫兹的C/A码（又称粗码）和频率为10.23兆赫兹的P码（又称精码）。粗码1毫秒重复一次，供快速捕获和粗略定位用，精度100米左右，用于民用；精码7天重复一次，供精确定位用，精度10米左右，专为美国军方及其特许用户使用。

GPS导航系统技术已经被广泛地应用于通信、交通、安全管理和大地测量等各个领域，甚至可以用于监测只有几个毫米的地壳形变和板块运动。

控制区段负责测定空间卫星的轨道参数，将其编制成导航电文的一部分，以S波段上传至卫星。卫星以L波段向外播发导航电文。用户接收机可以接收卫星播发的L波段电文，并同时根据电磁波传播时间测量出它的天线与卫星之间的距离。如果接收机能够捕获3颗卫星的信号，则可以知道这3颗卫星的空间位置和它与这3颗卫星的距离，即它必然同时在以为圆心、为半径的球面上。则可以断定接收机必然处于这3个球面的2个交点之一。由于技术上的原因，在测距时实际上还会引入1个未知量——接收机时钟误差，因此需要同时观测4颗卫星才能解出接收机位置的3个坐标分量和1个时钟误差，完成定位与授时。同时通过对多普勒频移进行观测完成测速。

GPS导航系统使用WGS84坐标系作为参考坐标系，使用GPS导航系统时作为参考时间基准。卫星发射的信号包含三种成分：导航电文编码、伪随机码和载波。初始设计使用了2个载波频率L1（1575.42兆赫兹）和L2（1227.6兆赫兹），L1上调制了C/A码及民用导航电文、P码及军用导航电文，L2上只调制了P码及军用导航电文。GPS使用码分多址（CDMA）技术进行通信和测距，这在技术上具有代表性和先进性，也被后来的伽利略全球卫星导航定位系统、北斗卫星导航系统和俄罗斯全球导航卫星系统（GLONASS）所借鉴。通常情况下，市场上常见的民用单频GPS导航系统接收机单机定位误差在10m左右，使用差分技术则可以获得优于1米的定位精度。GPS导航系统的初始设计仅需24颗卫星，但随着应用的扩展和技术的探索，为增强系统的精度、完好性和可用性，又不断增补了一些用于差分和增强的卫星，实际的星座由24～32颗卫星组成，后来的伽利略全球卫星导航定位系统和北斗卫星导航系统的设计就是在这样一个较高的技术起点上开始的。GPS导航系统的C/A码由10位反馈移位寄存器产生，比较短，GPS导航系统捕获特性好，但测速精度比北斗卫星导航系统、伽利略全球卫星导航定位系统略差。GPS导航系统对应于军用服务的P码生成器结构已经公开，这意味着P码在未加密成Y码时，可以被广泛应用，从而一定程度上提高了GPS导航系统的民用竞争力。在Block ⅡR-M卫星上，除了播发原始信号之外，又增加了新的军码M码，其跟踪精度相对于P(Y)码能提高一倍左右，且和民用信号具有很好的谱分离度，这意味着对民码进行干扰时不会对M码信号造成不良影响，预计M码终将取代P(Y)码。同时，为了保持GPS导航系统民用市场的竞争力，新的GPS导航系统卫星将增加L2C和L5两个民用频率。