Trước năm 2016, Google Dịch thuật dựa trên nền tảng gọi là dịch máy theo nguyên tắc dịch máy thống kê.[17] Người đứng đầu chương trình dịch máy của Google là Franz-Josef Och - từng đoạt giải nhất cuộc thi DARPA (viết tắt của từ Defense Advanced Research Projects Agency, một cơ quan của chính phủ Mỹ có trách nhiệm phát triển công nghệ mới phục vụ cho quân đội) về tốc độ dịch tự động vào năm 2003.[18]

Không giống như các công cụ khác như Babel Fish, AOL và Yahoo sử dụng SYSTRAN, Google Dịch thuật sử dụng phần mềm của riêng họ, chương trình này không đi quá sâu vào các quy luật phức tạp về ngữ pháp mà sử dụng phương pháp được họ gọi là thống kê kiến thức, có nghĩa là chương trình sẽ được nạp vào hàng tỉ văn bản đã được dịch sẵn của con người sau đó thực hiện các thao tác phân tích nhằm tìm ra sự tương đồng với các yêu cầu của người dùng rồi trả về kết quả. Chất lượng dịch được tăng lên theo thời gian khi mà các văn bản ngày càng được nạp vào nhiều hơn với cấu trúc và ngữ cảnh ngày càng đa dạng.[17]

Hiện nay, Google Dịch sử dụng công nghệ Dịch máy Neural (Neural Machine Translation - NMT) đối với phần lớn các cặp ngôn ngữ, cho kết quả chính xác hơn so với các phương pháp khác.