В амбразуре лобового листа рубки в рамке устанавливалась 152-мм гаубица- пушка МЛ-20 обр.1937 г. Орудие снабжалось поршневым затвором с инерционным предохранителем и щелевым дульным тормозом. Длина ствола составляла 28,8 калибра, высота линии огня — 1800 мм. В конструкции противооткатных устройств использовались гидравлический тормоз отката и гидропневматический накатник. Подъемный и поворотный механизмы секторного типа обеспечивали углы вертикальной наводки от -5° до +18°, горизонтальной — в секторе 12°. Телескопические прицелы СТ-10 или КТ-5 использовались при стрельбе прямой наводкой, а панорама Герца — при стрельбе с закрытых огневых позиций. Для стрельбы ночью шкалы прицела и панорамы, а также прицельная и орудийная стрелки оснащались специальной подсветкой. Дальность стрельбы прямой наводкой составляла 3800 м, наибольшая — 6200 м. Скорострельность пушки- гаубицы достигала 2 выстр./мин. Для облегчения заряжания орудия имелся откидной лоток, который обеспечивал устранение задевания ведущего пояска снаряда за срез трубы ствола.
В боекомплект входили 20 выстрелов раздельного гильзового заряжания. Для стрельбы использовались осколочно-фугасная дальнобойная стальная пушечная граната ОФ-540, бетонобойный гаубичный снаряд Г-530, осколочно-фугасная дальнобойная стальная гаубичная граната ОФ-530, осколочная дальнобойная гаубичная граната из сталистого чугуна О-530А, бронебойно-трассирующий снаряд БР-540 и фугасный морской полубронебойный снаряд. Кроме того, могли использоваться пушечные бетонобойные снаряды Г-545 массой 56 кг и фугасные стальные пушечные гранаты старого образца Ф-542 и Ф-542Ш. Дополнительно в боевом отделении укладывались два 7,62-мм пистолета-пулемета ППШ с боекомплектом 1278 патронов (18 дисков) и 25 гранат Ф-1, позднее боекомплект к ППШ был увеличен до 1562 патронов (22 диска).
В моторно-трансмиссионном отделении вдоль продольной оси корпуса устанавливался двенадцатицилиндровый V-образный четырехтактный дизель В-2К мощностью 600 л.с. Пуск двигателя осуществлялся с помощью электростартера СТ-700 мощностью 15 л.с. или сжатого воздуха из двух воздушных баллонов емкостью 5 л каждый. Емкость основных топливных баков составляла 600 — 615 л. При установке запасных наружных баков запас возимого топлива увеличивался на 360 л. Запас хода установки по шоссе на основных баках достигал 330 км.
В состав трансмиссии входили многодисковый главный фрикцион сухого трения, четырехступенчатая коробка передач с демультипликатором, обеспечивавшая восемь передач переднего и две передачи заднего хода, два многодисковых бортовых фрикциона с плавающими ленточными тормозами и два бортовых планетарных редуктора.
СУ-152 из состава 1824-го тяжелого самоходно-артиллерийского полка на одной из улиц Симферополя, 13 апреля 1944 года
Состав гусеничного движителя — 12 сдвоенных опорных катков (диаметром 600 мм), шесть поддерживающих катков, два направляющих колеса с механизмами натяжения гусениц и два ведущих колеса кормового расположения со съемными зубчатыми венцами. Зацепление — цевочное. Подвеска — индивидуальная торсионная, с ограничителями хода опорных катков. Опорные и поддерживающие катки, а также направляющие колеса были выполнены цельнометаллическими, без резиновой амортизации. Ширина штампованного трака гусеницы равнялась 608 мм.
На машине устанавливалась радиостанция 9Р или ЮР (1 ОРК-26) с умформерами РУ-75В и РУ-11 Б, для внутренней связи служило танковое переговорное устройство ТПУ-4БИС.
До начала марта 1943 года была изготовлена первая партия установок в количестве 35 машин, которые были отправлены на формирование тяжелых самоходно-артиллерийских полков РВГК. Такие полки формировались по штату № 08/218 (361 человек, 12 СУ-152). С апреля тсап стали переводиться на штат № 010/454, отличавшийся от предыдущего введением во взвод управления полка танка КВ для командира полка и одного бронеавтомобиля БА-64 для разведки и связи. В октябре 1943 года полки СУ-152 были реорганизованы по штату № 010/482 (234 человека, 12 СУ-152, 1 КВ 1C). Тогда же наиболее управляемым был признан штат четырехбатарейного полка. В период с октября 1943 по февраль 1944-го все полки получили САУ для командиров батарей и были переведены на новый штат № 010/461. По нему тсап стал иметь четыре батареи по пять САУ в каждой — всего 21 установку. По этому штату в полк дополнительно были введены рота автоматчиков и саперный взвод.