机身
单翼， 后掠翼； 每个机翼下各吊挂一台涡轮喷气式发动机； 第三台发动机安装在尾鳍中； 加油飞桁位于后机身下。
配备3具通用电机公司（GE）的CF6-50C2型高旁通比涡轮扇喷射发动机，每具推力23,814公斤。发动机的配置方式较为特别，除了每边机翼下各1具之外，2号发动机则是安装在机尾上方的垂直尾翅根部。由于CF6型发动机已广泛使用在 DC-10型客机上，因此采购成本较低且可靠度高。
位於机身上半部驾驶舱后方的货舱，宽5.7公尺，高2.5公尺，在左侧机翼前方装有一扇向上开启的大型舱门，机舱内部则设有动力滚轮与起重机，能轻易装卸美国空军现役的各型地面支援装备。至于原先DC-10型的各个舱门中，仅保留机身前段两侧各一扇作为人员进出舱门，机身后部右侧另外一扇则作为地面紧急逃生舱门。
KC-10A型的主要改良部分，包括取消机身上大部分机窗与下侧货舱门，加装加油用油箱、军用航电装备、飞桁式及浮锚式空中加油设备、飞行员受油指示灯、临时机组员座位、改良加油操作舱、空中加油受油装置，以及卫星通讯装备等。后来美军又将15架KC-10A型加以改良，可在两侧机翼下方携挂加油荚舱。另外，KC-10A型的机头顶部也装有受油口，因此本身也可接受KC-135型或另一架KC-10型的空中加油。
机上除DC-10型客机原有的3具机翼主油箱之外，在机身下半部原本的货舱中，另外加装了7具未加压式一体成形油箱，分别是机翼前方3具与后方4具，油箱间并衬有吸收冲击能量材料，以提升安全性。此外，每具油箱在下部机身上，都装有独立的加油、换修舱门，以便於维修。机上设计总载油量达161,508公斤，其中机翼部分为108,211公斤，机腹部分则为53,297公斤，几乎是KC-135型加油机容量的2倍。而一架KC-10A型的加油能量，能使一架满载的C-5型运输机最大航程几乎延长1倍。
系统与装置
KC-10A型的空中加油系统位於后机身下方，包括中线处的麦道公司飞桁式加油杆，及其右侧的浮锚式软管2种，并搭配了自动负荷降低系统及独立脱离系统等，不但有效提升加油作业的安全性与便利性，也可在飞行中转换2种不同的加油装置。此外，机上也装有夜间作业所需的灯光设备。与以往空中加油机的俯卧式座位不同，KC-10A型机尾的加油操作舱中，配置了手动加油控制装置、大型观测机窗、潜望观测装置，以及面向后方的操作员座椅，两侧并各有1具备用座椅，可供教官或观察员使用。
加油方式
进行空中加油时，加油操作员采坐姿，透过机窗监看接受加油的飞机，并利用数位线传飞控系统（FBW）控制加油杆作业，其中飞桁式的最大输油速率为每分钟4,180公升，浮锚式则为每分钟1,786公升。由于KC-10A型机上配备了2种加油系统，所以不仅可为美国空、海军、陆战队及盟国的各型军机进行空中加油，加装翼下空中加油荚舱（WARP）的KC-10A型，更可同时为装置受油口与加油探管的飞机加油。
该型飞机88%的系统和民用型DC-10-30CF是通用的。不过，它们配备了军用航空电子设备和卫星通信设备，以及麦克唐纳-道格拉斯公司生产的先进空中加油飞桁、锥套软管加油系统，并加了一个加油系统操作员座位和自用的空中加油受油管。有20架KC-10A的外翼下还安装了卷盘软管加油装置。除了基本油箱外，每架飞机的下层货舱还在7个软油箱中储存了备用燃油。
加油组编制的机组员包括2名飞行员、飞行工程师及加油操作员，一般的内部配置，是在驾驶舱的机组员座位外，在后方货舱内增设6个座椅及4个休息用卧铺，但也可改为全部14个座位。飞机主舱还可运载货物和75名乘客。
C/KC-97“同温层货船/同温层油船”
KC-767空中加油机
VC-10K“胜利者”
C/EC/KC-135
A330 MRTT
KC-135空中加油机
