L'énergie est vitale pour le fonctionnement de la station spatiale et la survie de ses occupants : par ailleurs elle conditionne souvent la réalisation des expériences scientifiques. Pour la partie non russe de la station, l'énergie provient des panneaux solaires installés sur la poutre de la station. Sur celle-ci, huit panneaux solaires doubles (Solar Array Wing ou « SAW ») sont installés de part et d'autre des éléments de poutre P3/P4, S3/S4, P5/P6 et S5/S6. Un « SAW » comporte deux panneaux composés chacun de 16 400 cellules photovoltaïques maintenus en position par un mât formant un ensemble long de 34 mètres, large de 12 mètres et pouvant produire jusqu'à 32,8 kW de courant continu. Le courant est régulé à 160 Volts, puis converti à une tension de 120 Volts (pour faire face aux baisses d'alimentation), avant d'être convoyé jusqu'aux différents équipements utilisateurs. Les équipements de régulation du courant sont refroidis à l'aide d'un circuit dans lequel circule un fluide caloporteur (de l'ammoniac), qui évacue la chaleur grâce à un ensemble de radiateurs attachés à chaque élément de poutre porteur de panneaux solaires. Chacun de ces quatre radiateurs photovoltaïques (PVR), comportant sept éléments d'une surface totale de 13 mètres sur 3,4 mètres et pesant 0,8 tonnes, permet d'évacuer jusqu'à 9 kW d'énergie.

Généralement, les panneaux solaires sont orientés de manière à maximiser l'énergie solaire. Deux types de joints tournants motorisés (alpha et beta) permettent d'orienter les panneaux avec deux degrés de liberté. Si les impératifs de fourniture d'énergie ne sont pas prioritaires, les panneaux peuvent être orientés de manière à réduire la traînée. C'est la disposition généralement adoptée lorsque la station se trouve à l'ombre de la Terre (configuration « Night Glider mode »). Il peut toutefois arriver que la station déploie volontairement ce « frein aérodynamique » pour abaisser son orbite et permettre à un vaisseau lourdement chargé de l'atteindre plus facilement. Durant les éclipses, lorsque la Terre intercepte le flux lumineux, qui se produisent en moyenne durant un tiers d'une révolution de la station autour de la Terre, les panneaux solaires ne sont plus éclairés et la station utilise l'énergie stockée dans un ensemble de batteries nickel-hydrogène qui sont rechargées durant les périodes de « jour ».

La partie russe de la station est alimentée par 4 panneaux solaires installés sur les modules Zarya et Zvezda. Il était prévu que la Russie installe le Science Power Platform (SPP), un ensemble de panneaux solaires de taille conséquente permettant à la partie russe de la station d'être autonome sur le plan énergétique, mais le module qui devait les porter a été abandonné ainsi que le laboratoire spatial associé, pour des raisons budgétaires. Il est finalement prévu que les modules russes utilisent l'énergie électrique produite par les panneaux solaires installés sur la poutre avec une tension ramenée à 28 volts.