글로벌 호크는 최초 개발 목표부터 U-2 드래곤레이디(Dragon Lady)를 대체할 목적으로 개발됐다. 본격적인 고고도 장기체공형(HALE: High-Altitude Long-Endurance) 무인정찰기인 글로벌 호크는 전천후, 주야(晝夜) 간 정보, 감시, 정찰(ISR)을 실시한다.

글로벌 호크의 추진체계에는 앨리슨(Allison)-롤스로이스(Rolls-Royce) 사의 7,050파운드급 AE3007H 터보팬 엔진이 장착됐으며, 이를 통해 약 910kg 이상의 장비를 탑재할 수 있다. 동체는 알루미늄, 주익은 복합재로 제작했으며, 동체에는 반(半) 모노코크 구조와 V자형 미익 설계를 적용했다. 글로벌 호크는 현재까지 블록 10형부터 40형까지 4개의 주요 블록 형상이 존재하나 각 형상의 능력은 각각 조금씩 다르다. 

RQ-4A 블록 10형은 주로 영상정보(IMINT) 수집에 특화되어 있으며, 주요 탑재 장비로는 SAR 레이더와 EO/IR 센서가 장착됐다. A형은 미 공군에서만 운용했으나 2011년에 전량 퇴역한 상태다. RQ-4B 블록 20은 탑재중량이 크게 증가하여 최대 1,400kg까지 탑재할 수 있으며, 탑재 장비 또한 A형에 비해 업그레이드된 장비들이 설치됐다. RQ-4B 중 4대에는 전장공중통신노드(BACN, Battlefield Airborne Communication Node)가 설치되어 전장 통신 중계 용도로 개조되어 운용 중이다. 

RQ-4A 블록 10형은 주로 영상정보(IMINT) 수집에 특화되어 있으며, 주요 탑재 장비로는 SAR 레이더와 EO/IR 센서가 장착됐다. A형은 미 공군에서만 운용했으나 2011년에 전량 퇴역한 상태다. RQ-4B 블록 20은 탑재중량이 크게 증가하여 최대 1,400kg까지 탑재할 수 있으며, 탑재 장비 또한 A형에 비해 업그레이드된 장비들이 설치됐다. RQ-4B 중 4대에는 전장공중통신노드(BACN, Battlefield Airborne Communication Node)가 설치되어 전장 통신 중계 용도로 개조되어 운용 중이다. 

가장 널리 운용 중인 글로벌 호크 블록 30형은 전자광학(Electro-Optic, E/O) 센서, 적외선(Infrared, IR) 센서, 고해상도 합성 개구식 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar), 광대역/단대역 신호정보(SIGINT: Signal Intelligence) 센서를 탑재하고 있다. 특히 악천후 시 태풍이나 구름을 관통하여 탐지가 가능한 SAR 레이더는 U-2에 탑재되어 있던 ASARS-2를 개조한 제품으로 레이시온(Raytheon) 사가 공급한다. 특히 SAR는 이동표적을 추적할 수 있는 GMTI(Ground Moving Target Indicator) 모드가 있어 움직이고 있는 대상체를 포착할 수 있다. 항공기의 비행은 관성항법체계(INS)와 GPS를 이용하며, 인공위성을 이용하여 데이터링크를 실시하기 때문에 지구 반대편에서도 항공기의 통제가 가능하다. 또한 블록 30형에는 다목적 정보수집(Multi-INT) 임무를 위해 공중 신호정보 탑재장비(ASIP: Airborne Signals Intelligence Payload)와 광대역신호정보(SIGINT) 센서가 채택되어 있다. 

가장 마지막으로 개발된 RQ-4B 블록 40형에는 다목적 플랫폼 레이더 기술 탑재 사업(MP-RTIP)을 통해 개발된 능동형 전자주사식 레이더(AESA: Active Electronically-Scanned Array Radar)인 AN/ZPY-2가 장착되어 이동 및 고정 표적에 대해 월등한 탐지능력을 자랑한다. 블록 40형은 체공 시간도 향상되어 최대 30시간까지 비행이 가능하며, AESA 레이더로 오스트레일리아 대륙 면적에 가까운 최대 7,000,000㎢의 면적을 탐지할 수 있다(오스트레일리아 면적은 7,692,000㎢). 글로벌 호크에는 이외에도 AN-AVR-3 레이저 경고 수신기(LWR: Laser Warning Receiver), AN/APR-49 레이더 경고 수신기(RWR: Radar Warning Receiver) 및 재밍(jamming) 시스템을 하나로 묶은 레이시온(Raytheon) 사의 AN/ALR-89 자체 방어 슈트가 설치되어 있다. 또한 적 방공망과 항공기를 기만하기 위한 ALE-50 견인식 미끼(decoy)도 장착되어 있다.