Процессор
Центральный процессор: 16-битный Motorola 68000 (или полностью совместимый)
Тактовая частота: 7,61 МГц в PAL-приставках, 7,67 МГц в NTSC-приставках.
Дополнительный процессор: 8-битный Zilog Z80 (или полностью совместимый)
Тактовая частота: 3,55 МГц в PAL-приставках, 3,58 МГц в NTSC-приставках.
Используется как основной процессор в режиме совместимости с Sega Master System.
Память
Загрузочное ПЗУ: 2 Кбайт
Известно как «Trademark Security System» (TMSS)
Во время запуска приставки выполняет проверку на наличие определённого кода, выдаваемого только официальным разработчикам
Таким образом, нелицензионные игры без кода не могут быть использованы
Если игра обладает необходимой лицензией, ПЗУ выведет на экран надпись «Produced by or under license from Sega Enterprises Ltd.» («Произведено компанией Sega Enterprises Ltd., либо по её лицензии»)
Загрузочное ПЗУ отсутствует в ранних версиях приставки
Некоторые ранние игры, разработанные без учёта TMSS, могут оказаться неработоспособными в поздних версиях приставки
Основное ОЗУ: 64 Кбайт
Часть адресного пространства M68000
Видеопамять: 64 Кбайт
Центральный процессор не может обращаться к ней напрямую — только посредством VDP (см. ниже)
Дополнительное ОЗУ: 8 Кбайт
Часть адресного пространства Z80
Используется как основное ОЗУ в режиме совместимости с Sega Master System
Область памяти картриджа: до 4 Мбайт (32 Мбит)
Часть адресного пространства M68000
Игровые картриджи объёмом более 4 Мбайт должны использовать переключение банков памяти
Графика
Видеоконтроллер Sega Mega Drive (VDP, Video Display Processor), отображающий графику фона и объекты, является улучшенной версией видеоконтроллера Sega Master System, созданного, в свою очередь, на базе Texas Instruments TMS9918.
Слои: 4 (2 прокручиваемых слоя графики фона, 1 слой спрайтов, 1 слой 'окна')
Спрайты: До 80 одновременно отображаемых, в зависимости от экранного режима, спрайтов (до 20 на одной горизонтальной строке)
Палитра: 512 цветов
Одновременно отображаемые цвета: для палитры выделены 64 девятиразрядных слова ОЗУ. Всего доступно 4 палитры по 16 цветов, при этом один цвет в каждой палитре всегда прозрачен, а также присутствует общий цвет фона. Это позволяет отображать до 61 цвета одновременно (и до 1536 с использованием растровых эффектов или затенения/высветления).
Разрешение экрана: До 320×240 (40×30 ячеек) для PAL-версии, и до 320×224 (40×28 ячеек) для NTSC-версии
Чересстрочные режимы могут обеспечивать удвоение разрешения экрана по вертикали. (к примеру: 320×448 для NTSC-режима, 320x480 для PAL-режима). Используется в Sonic 2 в режиме разделённого на две части экрана.
Звук
Основной звуковой чип: Yamaha YM2612
Шесть каналов с частотной модуляцией, по четыре оператора на каждый; шестой канал может быть использован как 8-разрядный ЦАП, для программного воспроизведения семплов
Программируемые генератор сверхнизкой частоты (LFO) и стереопозиционирование.
Дополнительный звуковой чип: Texas Instruments SN76489
Четырёхканальный PSG (Programmable Sound Generator, Программируемый Звуковой Генератор)
Три канала с прямоугольной формой сигнала, один шумовой канал
Программируемые тон/шум и затухание
Используется в режиме совместимости с Sega Master System
Выходы
Антенный выход
Аудиовидеовыход (звуковой стерео, композитный и RGB)
Адаптер
10 В, 1,2 А
более поздних версий 9 В, 850 мА