Trong nhiều khía cạnh kỹ thuật Kh-31 là một phiên bản thu nhỏ của P-270 Moskit (SS-N-22 'Sunburn') và được thiết kế bởi cùng một người.[3] Tên lửa có hình dáng thường, với các cánh dạng chữ thập và cánh điều khiển làm bằng titan.[2] Tên lửa có 2 tầng đẩy. Khi phóng, một tên lửa phụ nhiên liệu rắn trong cánh sẽ giúp tên lửa đạt vận tốc Mach 1.8[3] và các động cơ tách ra khỏi thân tên lửa. Sau đó, 4 khe hút khí mở ra và vỏ tên lửa rỗng sẽ trở thành buồng đốt của một động cơ ramjet sử dụng nhiên liệu dầu lửa, động cơ này sẽ khiến tên lửa vượt vận tốc Mach 4.[4]

Đầu dò L-111E của phiên bản chống radar có duy nhất một anten, một mạng giao thoa của 6 tấm anten dạng xoắn trên một đế có thể điều khiển được.[4] Đầu dò chuyển cho phía Trung Quốc vào năm 2001-2002 có chiều dài 106,5 cm (41,9 in), đường kính 36 cm (14 in), và nặng 23 kg (51 lb).[9]