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Die wesensbestimmende Grundstruktur eines FPGA ist ein Feld (englisch Array) aus Basisblöcken mit jeweils einer einfachen programmierbaren Lookup-Tabelle (LUT) und einem 1-Bit-Register (Flipflop). Die LUTs können, je nach Anzahl der verfügbaren Eingänge, jede beliebige n-stellige Binärfunktion realisieren. Die Programmierung der gewünschten Funktion erfolgt durch die Hinterlegung der definierenden Wahrheitstabelle in den SRAM-Zellen der LUT, die Funktionsberechnung durch das Auslesen der durch die Eingänge bestimmten Speicheradresse. Lange Zeit waren LUT-Strukturen mit 4 binären Eingängen üblich. Neuere FPGAs gehen zur Verringerung des Aufwandes an LUT-zu-LUT-Verbindungen zur Realisierung von Funktionen mit mehr Eingängen auf LUTs mit bis zu 6 Eingängen über.

Neben den LUTs ist auf einem FPGA auch die Verschaltung der Komponenten weitgehend frei konfigurierbar. Multiplexer-Strukturen in den Basisblöcken ermöglichen häufig sehr schnelle lokale Signalpfade, zur Einbindung oder Umgehung des Flipflops, zur Rückkopplung von dessen Ausgang, zur Verbindung von Nachbarblöcken und ähnlichem. Für die ferneren Verbindungen liegt zwischen den Basisblöcken ein Gitter aus immensen Busstrukturen, an das Ein- und Ausgänge angeschlossen werden können. Weitere programmierbare Schaltkomponenten in den Kreuzungspunkten des Gitters erlauben die Signalverteilung über den gesamten Chip.

Weitere oft vorzufindende Elemente von FPGA sind:

• Eingangs-/Ausgangs-Blöcke (englisch IO-Blocks oder IOB) dienen der Kommunikation mit der Außenwelt. Über sie werden die externen Anschlüsse des FPGA mit der internen Schaltmatrix verbunden. Sie können an die jeweilige Anwendung angepasst werden, z. B. kann die Ausgangsspannung für den jeweiligen Standard eingestellt werden (TTL/CMOS usw.). Spezielle IOB-Blöcke mit integrierten Serializern gestatten die Anbindung an Hochgeschwindigkeits-Busse und Double-Data-Rate-(DDR)-Schnittstellen.

• Ein oder mehrere Taktgeneratoren erzeugen, ausgehend von an den Eingängen zur Verfügung gestellten Taktsignalen, alle für die Anwendung benötigten internen Taktsignale. Diese können gegenüber den Eingangstaktsignalen in der Phase verschoben sein und besitzen eine von dem jeweiligen Eingangstaktsignal abgeleitete Frequenz. Taktverstärker sowie eine entsprechende Verschaltung sorgen dafür, dass jedes verwendete Taktsignal überall im Chip synchron zur Verfügung steht. Moderne FPGAs besitzen typischerweise mehrere Phase-locked loops (PLL), mit denen sich rational gebrochene Taktfrequenzteilungen/-vervielfachungen erzeugen lassen. Den gleichen Zweck erfüllen Delay-locked loops (DLL) und digital frequency synthesizer (DFS), die manche FPGA-Hersteller gegenüber der PLL bereitstellen.

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