АМС «Венера-15» представляла собой цилиндр высотой 5 метров и диаметром 1,1 метра. На одном конце цилиндра были укреплены две антенны, предназначенные для радиолокационного зондирования поверхности планеты Венера: антенна радиолокатора бокового обзора с синтезированной апертурой, зеркало которого представляло собой параболический цилиндр, оно имело длину 6 метров и ширину 1,4 метра, и вторая — антенна радиовысотомера с параболическим зеркалом диаметром 1 метр, для измерения высоты над поверхностью планеты Венера и её отражательных свойств. Сложенная и накрытая защитным экраном во время межпланетного перелёта, на подлёте к Венере антенна радиолокатора сбросила его и раскрылась. Антенна радиовысотомера была закреплена неподвижно на корпусе корабля. Во время обычных сеансов сканирования поверхности Венеры, она была направлена вертикально вниз. Антенна радиолокатора, в процессе сканирования, отклонялась от оси корабля на 10°. Эта система радиолокационного зондирования была разработана Московским энергетическим институтом. На другом конце АМС были топливные баки, двигатели и приборный отдел. Две прямоугольные солнечные батареи располагались с двух сторон АМС и были раскрыты в виде крыльев. Для связи с Землёй, на АМС была установлена подвижная тарелка радиоантенны с параболическим зеркалом (диаметр 2,6 метра). Скорость передачи информации не зависела от расстояния до станций и составляла 100 Кбит/с, а в сутки операторы на Земле принимали 100 Мбит данных.
На АМС были также установлены: инфракрасный фурье-спектрометр, детектор космических лучей (6 сенсоров), детекторы солнечной плазмы. Масса АМС составила 5250 кг.