Un disco duro está formado por uno o varios platos, constituidos por un sustrato, a menudo de cristal, cubierto con una sustancia magnética. Por lo general, giran a velocidades de más de 5.400 rpm hasta velocidades de 12.000 rpm. Hay un cabezal magnético que lee y escribe en cada plato, similar a los cabezales de las grabadoras de cintas magnéticas. Este cabezal levita a una fracción de milímetro por encima del plato. El flujo de aire que generan los discos al girar evita que los cabezales toquen los platos hasta que el disco duro esté completamente parado. Mantener los cabezales alejados de los platos exige una gran precisión, por lo cual los discos duros vienen sellados de fábrica y sin partículas de polvo. Una pequeña partícula de polvo puede provocar que un cabezal se rompa al chocar con el disco y arrancar la superficie magnética.
Los cabezales están montados sobre unos brazos que las acercan y las alejan del eje de giro en los espacios que quedan entre los platos. Los brazos móviles contienen un núcleo magnético similar al que usan los altavoces para hacer vibrar su cono. Es capaz de producir vibraciones muy rápidas. Cada plato tiene dos caras y está dividido en pistas. Las pistas son círculos concéntricos alrededor del eje central de giro. Las pistas que están físicamente situadas unas encima de otras en los diferentes platos, se agrupan en cilindros que luego se subdividen en sectores. El concepto de cilindro es importante, puesto que la información que se encuentra en el mismo cilindro, pero en varios platos, es accesible sin desplazar los cabezales de sitio.
Cuando lees y escribes datos, el sistema operativo averigua en qué parte del disco está la información. Primero lee la tabla de ubicación de ficheros al principio de la partición. Esto le dice al sistema operativo el sector y la pista donde están los datos. El sistema operativo además subdivide cada sector en clusters, de forma que la tabla de ubicación de ficheros contiene también información sobre qué clusters del sector contienen los datos. Con esta información, el cabezal puede leer los datos solicitados.
A menudo, el siguiente conjunto de datos que se va a leer se localiza secuencialmente en el disco. Por esta razón, los dispositivos contienen un buffer de memoria caché de entre 256 KB y 8 MB para almacenar toda la información contenida en un sector o un cilindro si fuera necesario. Esto es muy efectivo para incrementar tanto la capacidad de tráfico de datos como los tiempos de acceso. Un disco duro requiere además información para el servomecanismo que mantiene continuamente actualizada la posición de los cabezales. Esta información se puede almacenar en un plato separado, o se puede entremezclar con la información normal de todos los platos. Un plato adicional separado para el servo es más caro, pero mejora los tiempos de acceso, puesto que los cabezales de datos no tienen que perder tiempo enviando información de servo. Sin embargo, los platos de servo y de datos se pueden desalinear por los cambios de temperatura. Para evitar que eso suceda, los dispositivos suelen estar autocomprobándose continuamente en un proceso que se conoce como recalibración térmica. Durante la reproducción multimedia esto hace que se produzcan pausas espontáneas en la transferencia, que provocan cortes de audio y saltos en las tramas de vídeo. Cuando se almacena la información del servo en los platos de datos, no se requiere recalibración térmica. Por esta razón la mayoría de los dispositivos han optado por meter la información de los servos junto con los datos.