LISA besteht aus drei Satelliten, die der Erde in Dreiecksformation entlang ihrer Bahn folgen. Jeder Satellit sendet einen Laserstrahl zu den beiden anderen. Insgesamt entsteht so ein gleichseitiges Dreieck aus Laserstrahlen mit fünf Millionen Kilometern Kantenlänge. Bereits die richtige Positionierung der Satelliten und die exakte Ausrichtung der Laserstrahlung ist eine enorme technische Herausforderung.

Jeder Satellit enthält zwei frei schwebende Testmassen. Deren Abstände zu je einer Testmasse eines der anderen Satelliten werden mit Hilfe der Laserstrahlen hochpräzise vermessen. Gravitationswellen, die durch die LISA-Anordnung laufen, machen sich durch systematische Änderungen dieser Abstände bemerkbar.