三坐标测量机一般由测头系统（探头、吸盘、探针、读数头、光栅尺等）、硬件控制系统（控制柜、电气驱动系统）、软件系统（计算机系统、数据处理软件系统）及其它机械部件（花岗岩台面、三轴导轨、 减震垫、支撑基架等）所组成。
1 测头系统
测量头是三坐标测量机在测量工件时的关键部件，并很大程度影响着测量精度的高低。测量头分为接触式和非接触式两种。接触式测头在测量时直接接触工件，测头发送并回收测量信号；而非接触式测头时不需要实际接触工件。目前常用的测头为接触式测头，其应用范围广、种类多样，测量方便灵活。
光栅系统是测量机的测长基准。光栅是刻有细密等距离刻线的金属或玻璃，读数头使用光学的方法读取这些刻线计算长度。为了便于计算由于温度变化造成光栅长度变化带来的误差，采用光栅一端固定，另一端放开，使其自由伸缩。另外在光栅尺座预置有温度传感器，便于有温度补偿功能的系统进行自动温度补偿。
2 硬件控制系统
控制柜是建立和保持测量机硬件系统与计算机软件相互联系的桥梁。操作盒使得操作者可手动控制测量机的机械运动，并可控制紧急情况、设置轴运动速度、设置复位状态功能
3 软件系统
准确、稳定、可靠、精度高、速度快、功能强大、操作方便是对测量机总体性能的要求。除硬件以外，软件也是测量机的重要组成部分。数据处理软件系统（测量软件），利用该软件，可把CAD数据转变成测量程序，从而获得准确无误的检测方案。就测量机的本体（包括测量头）而言，其作用是提取工件表面坐标点的工具。由于补偿技术的发展，算法、控制软件的改进，软件功能的增强，使得测量机软件成为决定测量机性能的主要因素，在很大程度上测量机的测量精度依赖于软件水平。
4 其它机械部件
工作台（一般采用花岗石），用于摆放零件支撑桥架。工作台放置零件时，一般要根据零件的形状和检测要求，选择适合的夹具或支撑。要求零件固定要可靠，不使零件受外力变形或其位置发生变化。导轨是气浮块运动的轨道，是测量机的基准之一。压缩空气中的油和水及空气中的灰尘会污染导轨，造成导轨道直线度误差变大，使测量机的系统误差增大，影响测量精度。小型测量机采用支架支撑测量机工作台，中、大型测量机一般采用千斤顶支撑工作台。都采用三点支撑，在一个支撑的一侧，有两个辅助支撑，只起保险作用。每个支撑都有一个海绵的减震垫，能够吸收振幅较小的震动。