Il grande telescopio di Herschel concentra il segnale del cielo su tre strumenti complementari, alloggiati in un grandissimo "thermos", riempito di elio liquido, e raffreddati a temperature prossime allo zero assoluto, minori di -270 °C.

Questi sensibilissimi "occhi" sono in grado di rivelare sia le immagini degli oggetti celesti sia i loro spettri. Lo spettro di una sorgente di luce corrisponde alla sua scomposizione in "colori". I nostri occhi sono in grado di rivelare lo spettro della luce visibile: ad esempio quella emessa dalle lampade al neon ha un caratteristico colore bianco, mentre quella dei fari allo xenon una luce blu. Gli strumenti di Herschel fanno lo stesso con la luce non visibile ai nostri occhi. Ogni elemento chimico, infatti, ha i suoi "colori" caratteristici: osservandoli negli oggetti celesti, possiamo quindi scoprire quale sia la loro composizione chimica pur non potendoli portare in laboratorio!

Le osservazioni di Herschel possono quindi fornire sia informazioni sia sulla forma degli oggetti, con le immagini, sia sulla loro composizione chimica, con gli spettri. I tre strumenti a bordo sono:

• PACS (Photodetector Array Camera and Spectrometer), in grado di rivelare immagini e spettri tra 60 e 210 micron di lunghezza d'onda.
• SPIRE (Spectral and Photometric Imaging Receiver), capace di ottenere immagini e spettri nel lontano infrarosso (tra 200 e 620 micron)
• HIFI (Heterodyne Instrument for the Far Infrared), per misurare gli spettri con una altissima accuratezza sulla posizione delle righe, tra 150 e 500 micron