Действие автоматики основано на принципе использования энергии отдачи ствола при его коротком ходе. Затвор поворотного типа состоит из двух частей. Первая часть двигается вместе со стволом только в продольном направлении назад, вторая совершает продольно-вращательное движение. Внутри ствольной коробки располагаются возвратная пружина ствола и возвратная пружина затвора.
При выстреле ствол двигается вместе со сцепленным затвором назад до момента вылета пули из ствола. При этом головка затвора вращается, и затвор расцепляется с казенником ствола. С этого момента ствол начинает возвращаться в исходное положение, а затвор продолжает движение назад.
Во время обратного хода гильза выбрасывается из патронника вниз, а лента сдвигается на одно звено. После достижения затвором крайнего заднего положения возвратная пружина затвора толкает его в исходное переднее положение. При движении вперед затвор извлекает из ленты новый патрон и досылает его в ствол.
Ударно-спусковой механизм позволяет вести только автоматический огонь. Но при определенных навыках из пулемета можно вести и одиночный огонь.
Воспламенение патрона может осуществляться механически (с помощью встроенного в затвор ударника) или электрически (с помощью тока, сила которого достаточна для воспламенения).
Переход с механического на электрическое воспламенение боеприпаса осуществляется довольно легко — достаточно вставить в оружие затвор другого типа и подключить источник тока.
Возможно ручное и дистанционное перезаряжание и взведение пулемета. Для этого оружие должно быть подключено к электрическому устройству дистанционного управления, обычно устанавливаемому в кабине самолета.
В условиях аэродромных мастерских стрелок может переоборудовать 15 мм оружие в 20 мм пулемет. Для этого достаточно лишь заменить ствол.
Боеприпасы в патронник оружия подаются из металлической рассыпной ленты с замкнутым звеном, составляемой из кусков по 50 звеньев. Полный ее объем зависит от назначения оружия и чаще всего составляет 250 патронов. Для стрельбы используются 15- или 20 мм (в зависимости от модификации) патроны с бронебойными, бронебойно-зажигательными, бронебойно-трассирующими, бронебойными со светящимся эффектом и осколочно-фугасными пулями.
Строенная зенитная установка пулеметов MG 151/20 на специальном лафете типа 151 D/B оснащена авиационным прицелом и массивным плечевым упором, обхватывающим весь торс стрелка-зенитчика; иногда используются защитные щиты. Патроны подаются из лент, находящихся в ящике, гильзы по направляющим переправляются вниз в сборник.
Ящики для крайних пулеметов вмещают 240 патронов и во время стрельбы могут пополняться. Менее доступная для обслуживания во время боя лента центрального пулемета заполнена 2450 патронами. На стволе крайних пулеметов расположены диагональные сопла, уменьшающие возникающий при отдаче вращательный момент.
Угол горизонтальной наводки системы составляет 360°, вертикальной — от –3° до +49°. Оружие наводится вручную с помощью рукояток, причем наводка по вертикали осуществляется отдельной рукояткой.
Горизонтальное наведение центрального ствола и боковых пулеметов может производиться отдельно. Если стрелок навел прицел на цель, он может зафиксировать лафет, механизм наведения блокируется при нажатии предохранительного рычага, расположенного на рукоятке наводки.
