Автоматика АК действует за счет отвода пороховых газов через боковое отверстие в стенке канала ствола. Газовый поршень со штоком жестко связан с затворной рамой. После отхода затворной рамы под действием давления газов на нужное расстояние отработанные газы выходят в атмосферу через отверстия в газовой трубке. Запирание канала ствола осуществляется поворотом затвора, при этом два боевых выступа затвора заходят в соответствующие пазы ствольной коробки. Поворот затвора производится скосом затворной рамы. Затворная рама является ведущим звеном автоматики: она задает направление движения подвижных частей, воспринимает большинство ударных нагрузок, в продольном канале затворной рамы помещена возвратная пружина.
Рукоятка перезаряжания расположена справа и выполнена заодно с затворной рамой. При отпирании затвора движущейся назад затворной рамой происходит предварительное смещение находящейся в патроннике гильзы. Это способствует сбросу давления в патроннике и предотвращает разрыв гильзы при последующем извлечении даже при очень сильном загрязнении патронника. Выброс стреляной гильзы вправо через окно ствольной коробки обеспечивают установленный на затворе подпружиненный выбрасыватель и жесткий отражатель ствольной коробки. «Вывешенное» положение подвижных деталей в ствольной коробке со сравнительно большими зазорами обеспечило надежную работу системы при сильной загрязненности.
Ударный механизм – куркового типа с вращающимся на оси курком и П-образной боевой пружиной, выполненной из двойной витой проволоки. Спусковой механизм позволяет вести непрерывный и одиночный огонь.
Все детали автоматики и ударно-спускового механизма компактно собраны в ствольной коробке, играющей, таким образом, роль и затворной коробки, и корпуса ударно-спускового механизма. Первые партии АК-47 имели, в соответствии с заданием, штампованную ствольную коробку с вкладышем ствола из поковки. Однако технология не позволила тогда достичь требуемой жесткости коробки, и в серийном производстве холодную штамповку заменили фрезерованием коробки из цельной поковки, что вызвало увеличение веса оружия.
Автомат имеет традиционный секторный прицел с расположением прицельной колодки в средней части оружия и мушки у дульной части ствола на треугольном основании. Мушка, регулируемая по высоте, с боков укрыта «крыльями стойки», прицел насечен до 800 метров.
Для удобства удержания служат пистолетная рукоятка, цевье и ствольная накладка, изготовленные из дерева. АК-47 выпускался с постоянным деревянным или складным (вперед и вниз) металлическим (АКС-47 или АКС) прикладом. АКС поставлялся на вооружение воздушно-десантных и специальных войск. В процессе производства деревянные детали из березовых заготовок постепенно были заменены: приклад стали выполнять из фанерной плиты, ствольную накладку – из клееного шпона, пистолетную рукоятку – из пластмассы. Небольшая конструкторская группа Калашникова совместно с технологами Ижевского завода несколько снизила вес автомата за счет внедрения новых марок сталей.
К автомату примыкался плоский штык с длиной клинка 200 миллиметров и шириной 22 миллиметра.
Огонь из автомата может вестись пулями нескольких типов: обыкновенной, трассирующей, бронебойно-зажигательной и зажигательной. Магазин стальной, коробчатый, секторной формы с шахматным расположением 30 патронов.
В начале 1950-х годов началась разработка унифицированной системы стрелкового вооружения на базе единого образца. В качестве кандидатов на базовый образец рассматривались АК, СКС и РПД. Победителем вышла схема Калашникова. После принятия АКМ и РПК сформировалось 7,62-миллиметровое семейство оружия: на базе основных узлов и деталей изготавливались автоматы АКМ, АКМС, АКМН и АКМСН, ручные пулеметы РПК, РПКС, РПКН и РПКСН.
В начале 1970-х годов завершилась разработка 5,45-миллиметрового патрона. Вскоре под него была создана новая модификация автомата – АК-74. Все деревянные части заменили пластмассовыми. Параллельно выпускался АКС-74 со складным металлическим прикладом треугольной формы. Чуть позже был сконструирован укороченный АКС-74У.
В начале 1990-х годов появилась новая модификация автомата – АК-74М. Позже на ее основе была разработана так называемая сотая серия автоматов – АК-101, – 102, – 103, – 105, – 106 – различных калибров. Модели охотничьих самозарядных карабинов «Сайга» и карабинов «Вепрь» созданы соответственно на основе АКМ и ручного пулемета Калашникова.