Сердце комплекса — нейтронный источник, он состоит из протонного ускорителя длиной 600 метров и мощностью 2 ГэВ и вольфрамовой (вместо традиционной для таких источников ртутной) мишени, в результате бомбардировки которой и образуются нейтронные пучки. Вокруг мишени расположены резервуары с водой и с жидким водородом, служащие замедлителями потока, и 15 приборов и инструментов — со временем их станет 22.
Для получения протонов в ускорителе используют ионный источник, где газообразный водород нагревают электромагнитным полем до состояния плазмы. Отделенные от электронов протоны попадают сначала в радиочастотный квадруполь, там они группируются в сгусток и получают энергию в 3,6 МэВ. Далее поперечные и продольные характеристики сгустка анализируются и корректируются в транспортировщике пучков средней энергии. Оттуда пучок направляется в дрейфовые трубки линейного ускорителя. На этом этапе важно скорректировать пучок протонов и придать ему достаточное ускорение. Пролетев по трубкам 50 метров, протоны попадают в сверхпроводящие камеры, которые охлаждаются жидким гелием до −271°C. Далее пучок ускоряется через линейные ускорители — Medium Beta Linac (MBL), High Beta Linac (HBL) — до 96% скорости света и попадает в мишень через транспортировщик пучков высокой энергии.
Сама мишень представляет собой вращающийся диск из стального каркаса диаметром 2,6 м и весом в 11 тонн с вольфрамовыми блоками. Ее охлаждают газообразным гелием, имеется также система резервного водяного охлаждения. Выбор именно в пользу вольфрама в качестве мишени был сделан как из-за прочности материала, так и в силу того, что при бомбардировке вольфрама получается большое количество нейтронов. Именно это решение позволило добиться небывалой яркости источника — она в сто раз выше, чем у любого из существующих нейтронных источников. Образовавшиеся нейтроны попадают в заполненный водородом или водой замедлитель с отражающим слоем из бериллия. (На первом этапе, пока ESS не вышел на полную мощность, замедление будет водяное.) Замедленные нейтроны по специальным каналам в итоге поступают в исследовательские станции, построенные вокруг мишени. Само помещение с мишенью облицовано сталью для предотвращения утечек ионизирующего излучения. Среди других мер безопасности — роботизированная система для замены изношенных материалов, например, стали вокруг вольфрамовых блоков, которая быстро разрушится.
Аппаратура — это в первую очередь различные дифрактометры, например DREAM (Diffraction Resolved by Energy & Angle Measurements) — порошковый дифрактометр, HEIMDAL — гибридный дифрактометр, MAGiC (Magnetism Single-Crystal Diffractometer) — дифрактометр для исследований по прикладной и теоретической физике, NMX — макромолекулярный дифрактометр, BEER — инженерный дифрактометр. Среди других приборов — рефлектометры ESTIA и FREIA, ODIN — многоцелевой «бог» для получения изображений, для малоуглового нейтронного рассеяния будут построены LoKI и SKADI. Также в распоряжении исследователей будут целых пять спектрометров: BIFROST, CSPEC, MIRACLES, T-REX и VESPA. Нетрудно заметить, что многие приборы получили названия в честь богов скандинавского пантеона, — наверное, это дань уважения принимающей стороне.