Les équipements de recherche scientifique sont installés à la fois dans la partie pressurisée de la station et sur des palettes exposées au vide. En 2012 toutes les structures destinées à héberger des équipements de recherche ont été mises en orbite hormis le module Nauka qui doit l'être en 2017. Parmi les équipements scientifiques installés on peut distinguer les équipements multi-usages (réfrigérateurs, express racks...), les mini laboratoires consacrés à la biologie, à la physiologie humaine, aux sciences des matériaux et enfin les expériences d'observation de la Terre et d'étude de l'Espace. Fin 2009 environ un tiers des emplacements destinés à recevoir des expériences étaient vides.

Toutes ces expériences sont pilotées à la fois par l'équipage permanent de la station spatiale et depuis les centres de contrôle des pays participants situés sur Terre. Ces derniers peuvent généralement recevoir les données recueillies par des capteurs et déclencher des séquences d'opérations si elles ne nécessitent pas de manipulations.

Les équipements multi-usages

Les Express racks

Les Express racks sont des équipements permettant d'accueillir dans des tiroirs amovibles plusieurs expériences (jusqu'à huit). Il y a sept Express racks répartis dans les laboratoires de la station. Certaines expériences ont vocation à rester en permanence tandis que d'autres séjournent un temps limité. Chaque Express rack occupe une baie au format standard ISPR.

Les réfrigérateurs

Le Minus Eighty degrees Celsius Laboratory Freezer for the ISS (MELFI) réalisé par l'ESA a une capacité de 175 litres et permet de conserver des échantillons biologiques à -80 °C, -26 °C ou +4 °C. General Laboratory Active Cryogenic ISS Equipment Refrigerator (GLACIER) est un réfrigérateur de 11,35 litres dont la température est maintenue à -165 °C. Microgravity Experiment Research Locker/Incubator (MERLIN) peut être utilisé comme réfrigérateur, congélateur ou incubateur avec une température qui peut être fixée entre -20 °C et +48,5 °C. (capacité 4,17 litres).

Les boîtes à gants

Deux boites à gants sont disponibles l'une fixe de grande dimension (MSG), l'autre (PGB) plus petite et portable.

Les équipements de recherche biologique

Les équipements de recherche biologique comprennent notamment :

•  Des serres (comme ABRS de la NASA, Biolab de l'ESA, LADA de Roscosmos, ECMS) dont l'environnement (lumière, composition de l'atmosphère, température) peut être contrôlé. Des végétaux y sont cultivés ou des organismes vivants de petite taille y sont élevés (insectes, araignées). L'objectif est d'étudier l'influence de l'apesanteur et des radiations sur la croissance et la reproduction. Certaines expériences comprennent une centrifugeuse pour moduler la gravité,
•  Un aquarium (Aquatic Habitat de JAXA) permettant l'étude de petits poissons (Oryzias latipes et poisson zèbre).
• Des incubateurs (CGBA et BSTC de la NASA, Kriogem-3M de Roscosmos, Saibo de JAXA) permettant d'étudier la croissances des cellules,
• Des expériences destinées à étudier la croissance osseuse (EBCS de CSA, MDS),
• Expose, une expérience de l'ESA permettant de soumettre des échantillons aux conditions régnant dans l'espace.

Les équipements de recherche sur la physiologie humaine

Les équipements de recherche biologique comprennent notamment :

• Human Research Facility (HRF-1 and HRF-2) de la NASA et European Physiology Modules (en) (qui comprend Cardiolab du CNES) de l'ESA sont un ensemble d'instruments permettant de mesurer l'effet des séjours de longue durée dans l'espace. MARES et PEMS se concentrent sur l'incidence de la microgravité sur les muscles,
• Étude de la fonction pulmonaire (PFS),
• Travail dans le laboratoire Kibo
• Mesures de la distribution des radiations (mannequin Matryoshka, EVARM de CSA) et de leur effet (ALTEA de la NASA incidence sur la vue et l'activité cérébrale)
• Les équipements d'entretien physique les plus récents (tapis roulant Colbert, cycloergomètre CIVIS, ARED) sont équipés de capteurs qui fournissent un certain nombre de paramètres physiologiques aux équipes au sol,

L'adaptation de l'homme à l'absence de gravité est également étudiée à travers les expériences HPA (adaptation des mouvements impliquant les mains et les bras) et ELITE-S2 (vision et activité cérébrale associée).

Les équipements de recherche sur la physique et la science des matériaux

Les équipements de recherche sur la physique et la science des matériaux comprennent notamment :

• Combustion Integrated Rack (CIR) de la NASA permet d'étudier les phénomènes de combustion.
• Fluid Science Laboratory (FSL) de l'ESA, Fluids Integrated Rack (FIR) de la NASA et DECLIC du CNES sont des équipements permettant d'étudier le comportement des fluides.
• GHF de JAXA est un four électrique permettant de générer des cristaux de grande qualité.
• Materials Science Research Rack (MSRR-1) est un mini laboratoire permettant l'étude de matériaux tels que des polymères, cristaux, céramiques, alliages et semi-conducteurs.
• SpaceDrums de la NASA permet d'opérer (combustion) sur des matériaux solides et fluides maintenus en suspension grâce à l'émission d'ultrasons.
• Ryutai de JAXA est un rack rassemblant plusieurs expériences sur les fluides.
• SHS de Roscosmos est un four à très haute température (3 000 K).
• MISSE de la NASA permet de tester la résistance de composants à l'exposition dans l'espace : électronique, optique, capteurs, équipements de communication, composants structurels et revêtements.

L'observation de la Terre et l'étude de l'Espace

Certains équipements de recherche sont installés à l'extérieur des modules pressurisés. Plusieurs points d'attache, disposant d'une alimentation électrique et de liaisons informatiques, sont disponibles à différents endroits de la station :

•  quatre palettes, les ExPRESS Logistics Carriers, peuvent soit recevoir des expériences scientifiques exposées dans le vide spatial soit servir de lieu de stockage pour des pièces détachées. Elles sont installées au-dessus et au-dessous de la poutre pour permettre l'exposition des expériences au choix face à la Terre ou face à l'espace. Les équipements scientifiques sont alimentés en énergie et reliés par des liaisons à haut et à bas débit aux données scientifiques.
• l’Experiment logistic module – Exposed section (ELM ES) est une palette prolongeant à l'extérieur le laboratoire japonais et destinée à recevoir les expériences scientifiques japonaises. Un sas permet de faire passer des expériences depuis l'intérieur du laboratoire Kibo et un bras manipulateur télécommandé permet de mettre en place ou retirer des équipements sans avoir à effectuer de sorties extravéhiculaires ;
• quatre points d'ancrages extérieurs pouvant recevoir des expériences scientifiques sont disponibles à l'extérieur du laboratoire de recherche européen Columbus (Columbus External Payload Facility ou CEPF) ;
• quelques expériences disposent de support et de liaisons électriques et informatiques à l'extérieur du module russe Zvezda ;
• sur la poutre un emplacement spécifique est réservé au spectromètre magnétique Alpha.

Les équipements d'observation de la Terre et d'étude de l'Espace comprennent en 2009 :

•  le Window Observational Research Facility (WORF), un hublot de grande taille situé dans le laboratoire Unity et équipé d'un verre de qualité optique. Il peut recevoir différents instruments pour l'observation de la surface terrestre et est utilisé notamment pour l'étude des continents ou des phénomènes atmosphériques ;
•  Solar de l'ESA, mesurant avec un triple spectromètre l'irradiance du Soleil ;
•  EuTEF de l'ESA, mesurant à l'aide de 9 instruments et échantillons l'incidence de l'environnement spatial et des radiations ;
• MAXI, de l'agence spatiale japonaise JAXA, étudiant les sources de rayons X ;
• SMILES de JAXA, étudiant les traces de gaz dans la stratosphère ;
• SEDA-AP de JAXA, mesurant les caractéristiques de l'environnement autour de la station spatiale ;
• le spectromètre magnétique Alpha, installé en mai 2011, un spectromètre magnétique mesurant avec grande précision les flux de rayons cosmiques de haute énergie chargés électriquement qui ne peuvent être observés qu'indirectement depuis la surface de la Terre. Cet équipement lourd (plus de 6 tonnes) installé directement sur la poutre doit fournir des informations sur la matière noire et l'antimatière présentes dans l'univers.