Falcon 9 là tên lửa quỹ đạo hai tầng sử dụng nhiên liệu LOX/RP-1, với khả năng tải đạt đến hạng nặng nhưng tên lửa chưa từng chở kiện hàng có khối lượng đạt đến mức đó. Cả hai tầng đều được trang bi động cơ Merlin-1D, chín động cơ tối ưu cho độ cao gần mực nước biển ở tầng một và một động cơ tối ưu cho môi trường chân không ở tầng hai. Các động cơ sử dụng hỗn hợp chất tự bắt lửa triethylaluminum-triethylborane (TEA-TEB) làm mồi.[42] Động cơ tầng một được bố trí với cấu trúc Octaweb[43], xung quanh nó là bốn chân gập hạ cánh.[44] Trong quá trình hạ cánh lõi tên lửa, SpaceX điều khiển đường bay bằng các cánh điều hướng chỉ bắt đầu hoạt động sau khi tách tầng.[45] Khi tiếp cận điểm hạ cánh, bốn chân chống hạ xuống và lõi tên lửa từ từ tiếp đất.[46]

Thùng nhiên liệu được làm bằng hợp kim Al-Li và được chế tạo nhờ công nghệ hàn ma sát xoay để đảm bảo độ bền tối đa.[7] Thùng nhiên liệu tầng hai là phiên bản thu ngắn của tầng một với vật liệu, dụng cụ và kỹ thuật chế tạo hầu như giống nhau để tiết kiệm chi phí.[7] Phần liên tầng một và hai được làm từ sợi cac-bon bọc nhôm, chứa các đai kẹp có thể tái sử dụng và hệ thống đẩy bằng hơi phục vụ cho quá trình tách tầng. Thiết kế ban đầu có 12 điểm gắn giữa hai tầng, đến phiên bản v1.1 thì giảm xuống chỉ còn ba.[47]

Falcon 9 được trang bị nón mũi để bảo vệ kiện hàng là vệ tinh, trừ tàu Dragon. Nón mũi cao 13,1 m, đường kính 5,2 m và được cấu tạo từ lớp nhôm tổ ong phủ sợi cac-bon. SpaceX thiết kế và chế tạo chúng tại trụ sở ở Hawthorne, bang California; thử nghiệm về tiếng ồn đột ngột, rung động cơ học và mô phỏng điều kiện phóng tĩnh điện điện từ được tiến hành với một nguyên mẫu hoàn chỉnh trong buồng chân không tại Trung tâm Plum Brook của NASA, vào mùa xuân năm 2013.[48]

Với thiết kế chịu lỗi, SpaceX trang bị nhiều hệ thống bay dự phòng cho tên lửa. Mỗi động cơ Merlin được điều khiển bởi ba máy tính theo nguyên tắc phiếu đa số (sử dụng kết quả trả về bởi nhiều máy tính nhất), mỗi máy tính có hai vi xử lý liên tục đối chiếu kết quả của nhau. Phần mềm chạy trên hệ điều hành Linux và được viết bằng C++[49]. Để tăng tính linh hoạt, các linh kiện thương mại có sẵn và thiết kế chịu bức xạ được sử dụng thay vì các linh kiện chịu bức xạ.[49] Mỗi một tầng của Falcon 9 đều có hệ thống điều khiển bay riêng với thiết kế chịu lỗi và dự phòng như các động cơ.