СУ-152 оснащалась четырёхтактным V-образным 12-цилиндровым дизельным двигателем жидкостного охлаждения В-2К мощностью 600 л. с. (441 кВт). Пуск двигателя обеспечивался стартером СТ-700 мощностью 15 л. с. (11 кВт) или сжатым воздухом из двух резервуаров ёмкостью 5 л в боевом отделении машины. СУ-152 имела плотную компоновку, при которой основные топливные баки объёмом 600—615 л располагались и в боевом, и в моторно-трансмиссионном отделении. Также СУ-152 комплектовались четырьмя наружными дополнительными цилиндрическими топливными баками, по два вдоль бортов моторно-трансмиссионного отделения и не связанными с топливной системой двигателя. Каждый из них имел ёмкость на 90 л топлива. Запаса топлива во внутренних баках хватало на 330 км хода по шоссе.

Самоходно-артиллерийская установка СУ-152 оснащалась механической трансмиссией, в состав которой входили:

многодисковый главный фрикцион сухого трения «стали по феродо»;

четырёхступенчатая коробка передач с демультипликатором (8 передач вперёд и 2 назад);

два многодисковых бортовых фрикциона с трением «сталь по стали» и плавающими ленточными накладками из феродо;

два бортовых планетарных редуктора.

Все приводы управления трансмиссией — механические, механик-водитель управлял поворотом и торможением САУ двумя рычагами под обе руки по обеим сторонам своего рабочего места.

Ходовая часть СУ-152 была идентична базовому танку КВ-1с. Подвеска машины — индивидуальная торсионная для каждого из 6 цельнолитых двускатных опорных катков малого диаметра (600 мм) по каждому борту. Напротив каждого опорного катка к бронекорпусу приваривались ограничители хода балансиров подвески. Ведущие колёса со съёмными зубчатыми венцами цевочного зацепления располагались сзади, а ленивцы с винтовым механизмом натяжения гусеницы — спереди. Верхняя ветвь гусеницы поддерживалась тремя малыми цельнолитыми поддерживающими катками по каждому борту. Каждая гусеница состояла из 86—90 одногребневых траков шириной 608 мм.

Самоходно-артиллерийская установка оснащалась стандартным для советской бронетехники тетрахлорным переносным огнетушителем. Тушение пожара в машине требовалось выполнять в противогазах — при попадании тетрахлорида углерода на горячие поверхности происходила химическая реакция частичного замещения хлора атмосферным кислородом с образованием фосгена — сильнодействующего ядовитого вещества удушающего действия.

СУ-152 имела достаточно большое количество средств наблюдения за полем боя. На крыше боевого отделения устанавливалось три призменных смотровых прибора с защитными броневыми крышками, ещё два таких прибора ставилась на левом круглом люке и верхней створке прямоугольного двустворчатого люка. Рабочее место командира машины оснащалось перископом ПТК-4. Механик-водитель в бою вёл наблюдение через смотровой прибор с триплексом, который защищался броневой заслонкой. Этот смотровой прибор устанавливался в бронированном люке-пробке на лобовой бронеплите слева от орудия. В спокойной обстановке этот люк-пробка мог быть выдвинут вперёд, обеспечивая механику-водителю более удобный непосредственный обзор с его рабочего места.

Для ведения огня СУ-152 оснащалась двумя орудийными прицелами — телескопическим СТ-10 для стрельбы прямой наводкой и панорамой Герца для стрельбы с закрытых позиций. Телескопический прицел СТ-10 был градуирован на прицельную стрельбу на расстоянии до 900 м. Однако дальность выстрела гаубицы-пушки МЛ-20С составляла до 13 км, и для стрельбы на расстояние свыше 900 м (как прямой наводкой, так и с закрытых позиций) наводчику приходилось использовать второй, панорамный прицел. Для обеспечения обзора через верхний левый круглый люк в крыше рубки панорамный прицел комплектовался специальным удлинителем. Для обеспечения возможности огня в тёмное время суток шкалы прицелов имели приборы подсветки.

Электропроводка в самоходке СУ-152 была однопроводной, вторым проводом служил бронекорпус машины. Исключение составляла цепь аварийного освещения, которая была двухпроводной. Источниками электроэнергии (рабочее напряжение 24 В) были генератор ГТ-4563А с реле-регулятором РРА-24 мощностью 1 кВт и четыре последовательно соединённые аккумуляторные батареи марки 6-СТЭ-128 или 6-СТЭ-144 общей ёмкостью 256 или 288 А·ч соответственно. Потребители электроэнергии включали в себя:

наружное и внутреннее освещение машины, приборы подсветки прицелов и шкал измерительных приборов;

наружный звуковой сигнал;

контрольно-измерительные приборы (амперметр и вольтметр);

средства связи — радиостанция и танковое переговорное устройство;

электрика моторной группы — стартер СТ-700, пусковое реле РС-371 или РС-400 и т. д.

Средства связи включали в себя радиостанцию 9Р (или 10Р, 10РК-26) и переговорное устройство ТПУ-4-Бис на 4 абонента.

Радиостанции типов 9Р, 10Р или 10РК представляли собой комплект из передатчика, приёмника и умформеров (одноякорных мотор-генераторов) для их питания, подсоединяемых к бортовой электросети напряжением 24 В.

Радиостанция 9Р являлась симплексной ламповой коротковолновой радиостанцией выходной мощностью 20 Вт, работающей на передачу в диапазоне частот от 4 до 5,625 МГц (соответственно длины волн от 53,3 до 75 м), а на приём — от 3,75 до 6 МГц (длины волн от 50 до 80 м). Разный диапазон передатчика и приёмника объяснялся тем обстоятельством, что для двусторонней связи «САУ — САУ» предназначался диапазон 4—5,625 МГц, а расширенный диапазон приёмника использовался для односторонней связи «штаб — САУ». На стоянке дальность связи в телефонном режиме (голосовой, амплитудная модуляция несущей) при отсутствии помех достигала 15—25 км, в движении она несколько уменьшалась. Телеграфный режим передачи информации у радиостанции 9Р отсутствовал.

10Р представляла собой симплексную ламповую коротковолновую радиостанцию, работающую в диапазоне частот от 3,75 до 6 МГц. На стоянке дальность связи в телефонном режиме была аналогична радиостанции 9Р, но в отличие от неё бо́льшую дальность связи можно было получить в телеграфном режиме, когда информация передавалась телеграфным ключом азбукой Морзе или иной дискретной системой кодирования. Стабилизация частоты осуществлялась съёмным кварцевым резонатором, плавная подстройка частоты отсутствовала. 10Р позволяла вести связь на двух фиксированных частотах, для их смены использовался другой кварцевый резонатор из 15 пар в комплекте радиостанции.

Радиостанция 10РК являлась технологическим улучшением предыдущей модели 10Р, она стала проще и дешевле в производстве. У этой модели появилась возможность плавного выбора рабочей частоты, число кварцевых резонаторов было уменьшено до 16. Характеристики по дальности связи значительных изменений не претерпели.

Танковое переговорное устройство ТПУ-4-Бис позволяло вести переговоры между членами экипажа танка даже в сильно зашумленной обстановке и подключать шлемофонную гарнитуру (головные телефоны и ларингофоны) к радиостанции для внешней связи.

Самоходно-артиллерийская установка СУ-152 выпускалась в единственной модификации, хотя по ходу серийного производства в её конструкцию вносились мелкие изменения, направленные на улучшение технологии её изготовления. Именно в этом плане серийные машины отличались от прототипа «Объект 236», в ходе постройки которого пришлось прибегать к подгоночным работам «по месту» для установки ряда важных элементов конструкции, например ствольной группы гаубицы-пушки. Также на основании фотографии И. В. Сталина в Кремле на САУ с внешним обликом СУ-152 и зафиксированного сопровождающими лицами его разговора с механиком-водителем этой машины можно предположить наличие переходного варианта от СУ-152 к будущей ИСУ-152, когда в корпус первой устанавливался ряд узлов и агрегатов новой самоходки. Иных опытных и серийных машин на базе СУ-152, за исключением упомянутых выше «Объекта 236» и показанного И. В. Сталину переходного варианта, не существовало. Также иногда в популярной советской литературе 1980-х годов под индексом СУ-152 подразумевается разработанная десятилетием ранее и совершенно не связанная по конструкции с одноимённой машиной периода Великой Отечественной войны самоходная гаубица 2С3 «Акация».

Поскольку из серийных самоходно-артиллерийских установок первого поколения СУ-152 поступила в войска позже других, то формирование оснащённых ими частей началось уже после передачи самоходной артиллерии командующему бронетанковыми и механизированными частями РККА весной 1943 года. Однако по аналогии с организационно-штатной структурой ранее сформированных частей, вооружённых СУ-76 и СУ-122, оснащённые СУ-152 части самоходной артиллерии также решили формировать в виде тяжёлых самоходно-артиллерийских полков (ТСАП). Эта полковая структура была заимствована из артиллерии и была удобной в тактическом и организационном плане. Первый ёё вариант для ТСАП под № 08/218 при 12 СУ-152 и 361 человек в полку всё ещё сохранял некоторые особенности организационно-штатной структуры, характерные для «чистых» артиллеристов:

Командир САП:

Батареи:

1-я батарея (2 СУ-152);

2-я батарея (2 СУ-152);

3-я батарея (2 СУ-152);

4-я батарея (2 СУ-152);

5-я батарея (2 СУ-152);

6-я батарея (2 СУ-152);

Штаб полка:

Взвод управления;

Службы тыла:

Полковой медпункт;

Хозяйственное отделение;

Артиллерийская ремонтная мастерская;

Взводы:

Парковый взвод;

Взвод боепитания.

С точки зрения иерархии подчинения тяжёлые самоходно-артиллерийские полки должны были принадлежать резерву Верховного Главнокомандования (РВГК) и использоваться для качественного усиления на направлениях главного удара танковых и стрелковых частей и соединений РККА. При этом они должны были действовать преимущественно в роли артиллерии усиления, нанося удары с закрытых огневых позиций, и лишь в случае необходимости переходить в боевые порядки войск для разрушения фортификационных сооружений противника, отражения его танковых контратак и противодействия его подходящим резервам.

По результатам анализа первых месяцев боевого применения СУ-152 организационно-штатная структура ТСАП была пересмотрена в сторону унификации с штатами полков, вооружённых СУ-76 и СУ-85, которые были более характерны для танковых войск. В новом штате №010/482 для ТСАП при той же численности САУ количество личного состава полка было сокращено до 234 человек, а в взвод управления вводился «командирский» танк КВ-1с. Также ревизии подверглись разделение линейных САУ по батареям и организация служб тыла полка:

Командир САП:

Батареи:

1-я батарея (3 СУ-152);

2-я батарея (3 СУ-152);

3-я батарея (3 СУ-152);

4-я батарея (3 СУ-152);

Штаб полка:

Взвод управления (1 КВ-1с);

Службы тыла:

Полковой медпункт;

Хозяйственное отделение;

Взводы:

Ремонтный взвод;

Транспортный взвод;

Взвод боепитания.

Однако и этот вариант не был окончательным. В связи с запуском в серию новой САУ ИСУ-152 под них был разработан штат № 010/461, во многом унифицированный со штатом отдельного гвардейского тяжёлого танкового полка (ОГвТТП), всего 21 машина в обоих случаях. Этот вариант организационно-штатной структуры был признан оптимальным и просуществовал вплоть до конца войны:

Командир САП:

Батареи:

1-я батарея (5 СУ-152/ИСУ-152);

2-я батарея (5 СУ-152/ИСУ-152);

3-я батарея (5 СУ-152/ИСУ-152);

4-я батарея (5 СУ-152/ИСУ-152);

Рота автоматчиков;

Штаб полка:

Взвод управления (1 СУ-152/ИСУ-152);

Службы тыла:

Полковой медпункт;

Хозяйственное отделение;

Взводы:

Ремонтный взвод;

Транспортный взвод;

Сапёрный взвод;

Взвод боепитания.

При формировании тяжёлым самоходно-артиллерийским полкам штата № 010/461 сразу же присваивалось звание гвардейских, причём они также имели статус отдельных (ОТСАП). Поэтому начиная с 1944 года в документах наблюдается разнообразие обозначений полков — одновременно используются аббревиатуры ТСАП, ГвТСАП, ОТСАП, ОГвТСАП в различных комбинациях строчных и прописных букв, а также точек при сокращениях. Весной 1944 года ТСАП на СУ-152 были переведены на штат № 010/461, но поскольку ИСУ-152 (а с апреля 1944 года и ИСУ-122) поступали в войска постепенно, то перевооружение шло по мере их поставок в РККА. При этом некоторые ТСАП на СУ-152 сохраняли старый штат, а другие переводились на новый, оставаясь с прежней материальной частью. Из-за нехватки СУ-152 бывали случаи, когда ТСАП комплектовались иными машинами, например КВ-85 и наоборот — ОГвТТП получали СУ-152 взамен потерянных в боях или убывших на ремонт танков. Так в РККА появились отдельные тяжёлые танкосамоходные полки и впоследствии эта практика имела место вплоть до конца войны.