Автоматика пушки действует по принципу использования энергии отдачи при коротком ходе ствола. Питание пушки — ленточное, двухстороннее.
Для комплектации 30×165 мм патронныхлент используются стальные звенья 9-Н-623, патроны 9-А-4002 c осколочно-фугасно-зажигательными снарядами и патроны 9-А-4511 с бронебойно-трассирующими снарядами, предназначенные для поражения легкобронированных и легкоуязвимых наземных, надводных и воздушных целей.
Максимальная дальность стрельбы орудия по воздушным целям составляет от 200 до 800 м, по надводным и наземным целям — от 1200 до 1800 м.
ГШ-301 — это первая серийная советская авиационная пушка, имеющая жидкостное охлаждение. В кожухе пушки находится вода объёмом 700 см³ (0.7 л). В процессе стрельбы при нагревании ствола вода превращается в пар. Пар проходит по винтовой проточке на стволе, охлаждая его, а затем выходит наружу.
Управление стрельбой — дистанционное от источника тока напряжением 27 В (патроны имеют электрический капсюль-воспламенитель).
Работа автоматики пушки обеспечивается за счёт использования энергии отката ствола.
Устранение осечек осуществляется при помощи дополнительного запала 9-ЕМ-623. При его срабатывании гильза осечного патрона пробивается специальным бойком, происходит воспламенение пороха патрона, что вызывает выстрел.
Крепление
Производителем предусмотрены как подвижные, так и неподвижные варианты крепления пушки. Места крепления пушки на установке:
передняя опора — сферическая поверхность корпуса, воспринимающая усилие отдачи и передающая его на силовую опору установки;
задняя опора — направляющие казённика, фиксирующие пушку в установке от поворота вокруг продольной оси;
дополнительная опора — цилиндрическая поверхность дульной части ствола, поддерживающая ствол в установке.