直线导轨与平面导轨一样，具备两个基本组件：一是作为导向的固定组件，二是移动组件。作为导向的导轨一般采用淬硬钢材料，经精磨后置于安装平面上，其基本功能类似于轴承环。直线导轨横截面的几何形状比平面导轨要复杂得多，需要加工出沟槽以利于滑动组件的移动，沟槽的形状和数量，取决于机床及导轨要完成的功能。
直线导轨的移动组件和固定组件之间不是像平面导轨那样使用中间介质，而是用滚动钢球代替。这种结构摩擦系数小、灵敏度高，更容易满足高速运动部件的工作要求。机床的工作部件移动时，钢球在支架沟槽中循环流动，把支架的磨损量分摊到各个钢球上，从而延长直线导轨的使用寿命。
固定组件安装有“v”字形结构的钢球支架，包裹着导轨的顶部和两个侧面。为了支撑机床的工作部件，一套直线导轨至少有四个支架，对于支撑大型工作部件的情况，支架的数量可以多于四个