Орбитальный отсек «Союза» создан для проведения научных экспериментов, обеспечения перехода экипажа из корабля в корабль и для отдыха космонавтов.

Эта часть «Союза» выполнена из магниевого сплава и состоит из двух оболочек – полусфер, соединенных цилиндрической вставкой. Сверху на отсеке установлен агрегат стыковки с внутренним люком-лазом диаметром 0,8 метра. В орбитальном отсеке есть два обзорных иллюминатора, третий размещен на крышке люка-лаза агрегата стыковки. В нижней части отсека находится люк, ведущий в спускаемый аппарат, а также боковой люк – через него входят космонавты в корабль на стартовой площадке.

Здесь расположены пульт управления, приборы и оборудование основных и вспомогательных бортовых систем отсека.

Снаружи орбитального отсека установлены телекамера внешнего обзора, антенны систем радиосвязи и телевидения.

Масса орбитального отсека составляет 1,3 тонны.

В приборно-агрегатном отсеке размещаются основная аппаратура, оборудование и системы, обеспечивающие орбитальный полет. Этот отсек состоит из переходной, приборной и агрегатной секций, выполненных из алюминиевых сплавов.

В переходной секции установлено десять двигателей причаливания и ориентации, топливные баки и система подачи топлива. Снаружи этой секции расположены малый радиатор-излучатель системы терморегулирования, верхние узлы крепления солнечных батарей, антенна командной радиолинии. Герметичная приборная секция имеет форму низкого цилиндра. В ней размещаются приборы системы ориентации и управления движением корабля, системы управления бортовым комплексом аппаратуры и оборудования, системы радиосвязи с Землей, программно-временное устройство, блоки телеметрии, приборы и блоки системы единого электропитания. С наружной стороны приборной секции установлены датчик построения инфракрасной вертикали на Землю и датчик ориентации на Солнце.

Агрегатная секция выполнена в виде цилиндрической оболочки, переходящей в коническую. Снаружи расположены большой радиатор-излучатель системы терморегулирования, четыре двигателя причаливания и ориентации, нижние узлы крепления солнечных батарей, восемь двигателей ориентации. Внутри размещена сближающе-корректирующая двигательная установка, состоящая из основного и дублирующего двигателей, топливных баков и системы подачи топлива; установлены антенны радиосвязи и радиотелеметрии, ионные датчики системы ориентации и батареи системы единого электропитания корабля.

Солнечные батареи – два «крыла», состоящие из трех створок каждое, – установлены на приборно-агрегатном отсеке. На их концевых створках размещены антенны радиосвязи и телеметрии УКВ- и КВ-диапазона.

Масса приборно-агрегатного отсека с солнечными батареями составляет при старте 2,7 тонны вместе с запасом топлива более полутонны.

При выведении корабля на орбиту на участке полета в плотных слоях атмосферы «Союз» закрыт головным обтекателем, к которому крепится спереди твердотопливная двигательная установка системы аварийного спасения.

Общий вид корабля «Союз» 1 – Андрогинный периферийный агрегат стыковки 2 – Орбитальный отсек 3 – Спускаемый аппарат 4 – Приборно-агрегатный отсек 5 – Солнечные батареи 6 – Антенны УКВ-радиостанции 7 – Антенны УКВ-радиостанции (частоты, принятые США) 8 – Антенны радиотелевизионной системы 9 – Антенны командной радиолинии и траекторных измерений 10 – Антенны радиотелеметрии 11 – Антенны связи экипажа с Землей 12 – Стыковочная мишень 13 – Бортовые огни ориентации 14 – Проблесковые световые маяки 15 – Датчик солнечной ориентации 16 – Датчик ионной ориентации 17 – Датчик ориентации по инфракрасной вертикали на Землю 18 – Визир-ориентатор 19 – Двигатели причаливания и ориентации 20 – Двигатели ориентации 21 – Сближающе-корректирующий двигатель 22 – Люк для посадки экипажа в корабль 23 – Телекамера внешнего обзора 24 – Иллюминаторы

Для экспериментального полета «Союз–Аполлон» в компоновку и конструкцию корабля «Союз» необходимо было внести ряд изменений. Потребовалось установить новый агрегат стыковки андрогинно-периферийного типа на орбитальном отсеке. В орбитальном отсеке была смонтирована радиостанция «Аполлон» УКВ-диапазона с автономным источником электропитания и дополнительная радиостанция УКВ-диапазона. Поскольку кораблям предстояло найти друг друга в космосе, на приборно-агрегатном отсеке и солнечных батареях были установлены импульсные световые маяки и цветные бортовые огни ориентации. Нового типа антенны для УКВ-радиостанций появились на носовой части «Союза». На орбитальном и приборно-агрегатном отсеках «Союза» были установлены стыковочные мишени. Чтобы астронавты, перейдя в «Союз», могли вести радиосвязь и телевизионные репортажи для своих соотечественников, была введена распределительная коробка и разъемы проводной связи между кораблями в орбитальном отсеке и туннеле агрегата стыковки. Условия совместного полета потребовали установки солнечных батарей, которые на корабли в транспортном варианте обычно не ставились. Эти батареи более совершенной конструкции были установлены вновь на «Союзе». Чтобы создать оптимальные условия для работы радиостанции «Аполлон», потребовалось доработать гидросистему терморегулирования корабля. Пришлось также внести существенные изменения в находящееся в орбитальном отсеке оборудование регенерации атмосферы, контроля герметичности и наддува жилых отсеков. Ряд изменений был проведен по приборам системы ориентации и управления движением корабля.

Чтобы людям, наблюдающим космическую встречу у экранов своих телевизоров, было видно все происходящее на борту «Союза», орбитальный отсек и спускаемый аппарат были оборудованы специальными светильниками, узлами крепления репортажных телекамер и кинофотоаппаратуры. В связи с установкой новых приборов и оборудования пришлось частично изменить и саму конструкцию отсеков корабля.