Arethusa là một phiên bản nhỏ hơn của lớp phụ Amphion thuộc lớp tàu tuần dương Leander dẫn trước, có cùng cách sắp xếp động cơ và cấu hình hai ống khói. Thiết kế này được đánh giá là yêu cầu tối thiểu dành cho một tàu "tuần dương tuyến đường biển thương mại" đối phó lại mối đe dọa của tàu tuần dương phụ trợ, vốn ngay cả với dàn vũ khí giới hạn, vẫn có được ưu thế vượt trội. Chúng cũng được xem là có khả năng hoạt động như một tàu tuần dương hạm đội (một điều may mắn, vì cuối cùng chúng hầu như chỉ hoạt động cùng hạm đội). Vì vậy, người ta không chấp nhận việc giảm tốc độ (tức là động cơ), và việc tiết giảm được thực hiện với vũ khí, kích cỡ và sự bảo vệ. Lớp Arethusa loại bỏ tháp pháo 'X', ngắn hơn 15 m (50 ft) và nhẹ hơn 1.250 tấn so với lớp Leander. Sơ đồ bảo vệ của nó cũng tương tự như của lớp Leander nhưng nói chung mỏng hơn để tiết kiệm trọng lượng. Vì vậy, trong hạn ngạch về tải trọng được ràng buộc bởi các hiệp ước hải quân đang được áp dụng, sáu chiếc Arethusa có thể chế tạo trong hạn ngạch của năm chiếc Leander. Kết cấu bằng kỹ thuật hàn lần đầu tiên được áp dụng rộng rãi để tiết kiệm trọng lượng, với hơn 250 tấn được cắt giảm so với đặc tính ban đầu.

Chúng được trang bị sáu hải pháo BL 6 inch Mk XXIII (152 mm) trên ba tháp pháo đôi Mk. XXI ở các vị trí 'A', 'B' và 'Y'. Ống phóng ngư lôi ba nòng 21 inch (533 mm) được bố trí ngang ống khói phía sau; việc cắt giảm bề rộng mạn tàu đã làm giảm khoảng trống xoay đưa đến việc loại bỏ một ống so với lớp Leander. Dàn pháo hạng hai gồm bốn hải pháo QF 4 inch Mk V (102 mm) trên bệ nòng đơn HA Mk. III, được điều khiển bởi một bộ kiểm soát hỏa lực HACS trên cầu tàu. Hầm đạn 4 inch được giữ lại vị trí cũ như trên lớp Leander khá xa về phía trước, nhưng chính các khẩu pháo được đặt lui về phía sau. Kết quả là, đạn pháo và thuốc phóng 4 inch phải được vận chuyển 60 m (200 ft) dọc theo con tàu để đến các khẩu pháo. Riêng trên Penelope và Aurora, tám khẩu hải pháo QF 4 inch Mk XVI (102 mm) trên bốn bệ HA/LA Mark XIX nòng đôi thay thế cho các khẩu nòng đơn, và một bộ kiểm soát hỏa lực HACS thứ hai được bổ sung phía sau. Một mái che dành cho pháo thủ được bổ sung giữa mỗi cặp pháo, vì người ta nhận thấy trong thời chiến pháo thủ trải qua phần lớn thời gian trực chiến sẽ nhanh chóng mệt mỏi tại các bệ pháo mở. Galatea cũng được thay đổi tương tự trước khi chiến tranh nổ ra. Vũ khí hạng nhẹ bao gồm tám súng máy Vickers 0,5 inch trên hai bệ bốn nòng.

Một máy phóng bệ xoay dành cho một thủy phi cơ và một cần cẩu được trang bị giữa các ống khói. Nó được dự định mang thêm một máy bay thứ hai phía đuôi tàu, nhưng cuối cùng chưa bao giờ thực hiện. Aurora được hoàn tất mà không có thiết bị dành cho máy bay, thay vào đó là một sàn thượng tầng để phục vụ như soái hạm.