コンパクトディスクの外見は直径12cmまたは8cm、厚さ1.2mmの円盤状で、プラスチックから作られている。プラスチックの材質はポリカーボネートであるが、APO（非晶質ポリオレフィン）やガラスを使用したものもある。読み取りには780nmの赤外線レーザーが用いられ、照射したレーザー光の反射を読み取る。レーザー光を反射させるため、コンパクトディスクはアルミニウム蒸着膜（厚さ約80nm、これが鏡のような役割を持ちレーザー光を反射する）と保護層（厚さ約10μm）、（レーベルなどの）印字膜の複数の層を重ねた構造になっている。

ディスクには非常に細かいくぼみが彫られており、このパターンによってデジタル情報を表現している。このくぼみ（読み取り面から見れば出っ張りになる）をピットといい、ピットのない部分をランドという。ランドの部分に当ったレーザー光は反射してそのまま戻ってくるが、ピットがある部分に当ったレーザー光は、ランドからの反射波と1/2波長の位相差をもつため干渉して打ち消しあい暗くなる。この明暗によりデジタル信号を読み取り、これをアナログ信号に戻して音声として出力する。ピットの幅は0.5μmで、長さは0.83μmから0.3μm単位で3.56μmまで9種類、ピットから次のピットまでの距離も同じ9種類である。またピットの列をトラックというが、このトラックは1.6μm幅で、内側から外側に向かって渦巻状に並んでいる。なおCDの虹色のような光沢は、この規則正しく並んだトラックで回折した光が干渉することによる構造色である。

データをピット列として記録するにはEFM (Eight to Fourteen Modulation) という変調方式が用いられる。また、誤り訂正はCIRC (Cross-Interleaved Reed-Solomon Code) によるが、コンピュータのデータ保管等、1bitの誤りも許されない用途には、追加の誤り検出、訂正が行われている。

音楽用途の場合、デジタルのPCM形式で最大79分58秒、99トラックの音楽が記録できる。また、規格上、1トラック中には99インデックス（位置決め標識）を設けることができ、CD登場のごく初期においては、インデックスを扱うことのできるプレーヤーやディスクが存在したが、その後ほとんど普及することはなかった。アルミニウムのかわりに金を使用したものもある（「ゴールドディスク」と呼ばれる）。

スーパーオーディオCDやDVDオーディオが登場した現在でも音楽供給媒体としてはいまだにCDが主流であり、これらの次世代メディアへの置き換えは進んでいない。CDの本当の敵は、それら次世代（有形）メディアではなく、インターネットによる音楽配信だという意見もある。