Lớp Portland có chiều dài ở mực nước 592 foot 0 inch (180,44 m) và chiều dài chung 610 foot 3 inch (186,00 m),[6] mạn tàu rộng 64 foot 6 inch (19,66 m) abeam,[3] với mớn nước trung bình là 21 foot 0 inch (6,40 m) và lên đến tối đa 24 foot 0 inch (7,32 m) khi đầy tải. Chúng được thiết kế với trọng lượng choán nước tiêu chuẩn 10.258 tấn Anh (10.423 t), và lên đến 12.755 tấn Anh (12.960 t) khi đầy tải.[7] Tuy nhiên trong thực tế Portland và Indianapolis chỉ đạt đến 9.800 tấn Anh (10.000 t) và 9.950 tấn Anh (10.110 t), tương ứng khi hoàn tất.[6] Chúng có hai ống khói đặc trưng nghiêng về phía sau và cột ăn-ten ba chân phía trước, một tháp nhỏ và ăn-ten dạng cột phía sau. Đến năm 1943, chúng được bổ sung một cột ăn-ten ba chân nhẹ phía trước ống khói thứ hai, và một trạm điều khiển hỏa lực dự phòng phía sau tàu.[6]

Mỗi chiếc trong số turbine hơi nước hộp số Parsons của chúng dẫn động một trục chân vịt, và hơi nước được cung cấp bởi tám nồi hơi Yarrow. Hệ thống động lực này cung cấp tổng công suất 107.000 mã lực càng (80.000 kW), cho phép con tàu đạt được tốc độ thiết kế 32 hải lý trên giờ (59 km/h; 37 mph).[6] Chúng được thiết kế để có tầm hoạt động 10.000 hải lý (19.000 km; 12.000 dặm) ở tốc độ đường trường 15 hải lý trên giờ (28 km/h; 17 mph).[6] Khi đi biển các con tàu bị chòng chành đáng kể cho đến khi được bổ sung những nẹp vây dưới lườn tàu.[4]

Các con tàu được trang bị dàn pháo chính gồm chín khẩu hải pháo 8 inch/55 caliber Mark 9 trên ba tháp pháo ba nòng, được phân bổ hai tháp pháo bắn thượng tầng phía trước và một phía sau. Nó được trang bị tám khẩu pháo 5 inch/25 caliber cho mục đích phòng không, và cũng có hai khẩu pháo chào QF 3 pounder Hotchkiss. Vào năm 1945, do không kích tự sát của đối phương trở thành mối đe dọa lớn, dàn hỏa lực phòng không được nâng cấp với 24 pháo phòng không Bofors 40 mm: trên Portland gồm bốn khẩu đội bốn nòng và bốn khẩu đội nòng đôi,[8] trong khi với Indianapolis là sáu khẩu đội bốn nòng.[9] Cả hai cũng được tăng cường 17 đến 19 khẩu Oerlikon 20 mm.[6] Lớp tàu này không được trang bị ống phóng ngư lôi;[10] chúng trang máy đo tầm xa Mark 8 và bộ điều khiển hỏa lực Mark 27 kèm theo máy đo tầm xa Mark VII phụ trợ.[11]

Lớp Portland nguyên được thiết kế với lớp giáp dày 1 inch (25 mm) cho sàn tàu và mặt hông, nhưng trong quá trình chế tạo lớp giáp này được tăng cường.[4] Khi hoàn tất, đai giáp của nó dày 3,25 in (83 mm) nhưng tăng lên 5 in (130 mm) tại khu vực quanh hầm đạn.[10] Vỏ giáp dày từ 2 in (51 mm) cho đến các vách ngăn dày 5,75 in (146 mm), trong khi lớp giáp cho sàn chính dày 2,5 in (64 mm). Lớp giáp cho các tháp pháo nhỏ dày 1,5 in (38 mm), cho tháp điều khiển hỏa lực là 2,5 in (64 mm) và cho tháp chỉ huy là 1,25 in (32 mm).[6]

Ngoài ra lớp Portland cũng được thiết kế nhằm phục vụ trong vai trò soái hạm cho hạm đội, với tiện nghi chỗ ở và làm việc cho vị đô đốc cùng ban tham mưu của ông. Nó được trang bị hai máy phóng máy bay phía giữa tàu,[6] và có thể mang theo tối đa bốn thủy phi cơ trong hầm chứa dành riêng. Thủy thủ đoàn đầy đủ của con tàu là 848 người trong thời bình,[7] tăng lên 952 trong thời chiến, và có thể đến 1.229 người khi nó hoạt động trong vai trò soái hạm của hạm đội.[6]

So sánh với những thiết kế tàu tuần dương trước đó

Lớp Portland dài hơn lớp Northampton khoảng 10 foot (3,0 m) và có mũi tàu được cải tiến, nhưng nói chung chúng có thiết kế tương tự như lớp Northampton, với một sàn phía trước được kéo dài để cải thiện tính năng đi biển.[7] Các cột ăn-ten được rút ngắn so với lớp Northampton để giúp giảm bớt trọng lượng bên trên.[12]

Khi hoàn tất, lớp Pensacola có trọng lượng choán nước tiêu chuẩn nhỏ hơn mong muốn chỉ với 9.000 tấn Anh (9.100 t),[3] 980 tấn Anh (1.000 t) thấp hơn mong đợi, và được xem là khiếm khuyết về mặt bảo vệ.[4] Đối với lớp Northampton tiếp theo, trọng lượng vỏ giáp bảo vệ được tăng lên 1.040 tấn Anh (1.057 t) với đai giáp dày 3 inch (76 mm).[13] Ngay cả như thế, những con tàu này chỉ có trọng lượng choán nước tiêu chuẩn từ 8.910 tấn Anh (9.050 t) đến 9.200 tấn Anh (9.300 t).[3] Trong khi lớp Portland có vỏ giáp bảo vệ tốt hơn đáng kể so với những lớp trước, vấn đề này được xem là nghiêm trọng đến mức trong năm tài chính 1929, một thiết kế hoàn toàn mới được nghiên cứu mà sau này trở thành lớp New Orleans. Nhiều lườn tàu Portland đã đặt hàng được chuyển sang thiết kế New Orleans đang khi được chế tạo.[4]

Lớp Portland cũng được thiết kế với những ý tưởng mới về vũ khí. Dàn pháo chính của chúng lần đầu tiên được thiết kế đặc biệt để bắn kiểu đầu đạn pháo mũi nhọn và có dạng suôn thẳng, vốn gia tăng về tầm bắn so với thiết kế pháo kiểu cũ. Loại đạn pháo này đã được áp dụng trên các tàu chiến của Hải quân Đế quốc Nhật Bản, vốn đã vượt trội hơn về hỏa lực so với tàu tuần dương Hoa Kỳ vào lúc đó.[14] Lớp New Orleans sau này được thiết kế với những xu hướng trên cùng những bài học rút ra được, dự định tạo ra một sự cân bằng tốt hơn giữa các yếu tố bảo vệ, hỏa lực và tốc độ.[15]