Ракета-носитель Протон-М состоит из трех ступеней и разгонного блока "Бриз-М". В качестве компонентов топлива все три ступени РН используют несимметричный диметилгидразин и азотный тетроксид (НДМГ и АТ). Первая ступень состоит из центрального блока и шести боковых блоков, расположенных симметрично вокруг центрального.
Двигательная установка первой ступени состоит из шести автономных маршевых жидкостных ракетных двигателей (ЖРД) РД-275 (модификация РД-253). Двигатели имеют турбонасосную систему подачи топлива с дожиганием генераторного газа. Запуск двигателя осуществляется путем прорыва пиромембран на входе в двигатель. Вторая ступень имеет цилиндрическую форму и состоит из переходного, топливного и хвостового отсеков.
Двигательная установка второй ступени включает в себя четыре автономных маршевых ЖРД конструкции С. А. Косберга: три РД-0210 и один - РД-0211. Двигатель РД-0211 является доработкой двигателя РД-0210 для обеспечения наддува топливного бака. Каждый из двигателей может отклоняться на угол до 3°15' в тангенциальных направлениях. Двигатели второй ступени также имеют турбонасосную систему подачи топлива и выполнены по схеме с дожиганием генераторного газа. Общая тяга двигательной установки второй ступени составляет 2352 кН в пустоте. Двигатели второй ступени запускаются раньше начала выключения маршевых ЖРД первой ступени, что обеспечивает "горячий" принцип разделения ступеней. Как только тяга двигателей второй ступени превысит остаточную тягу ЖРД первой ступени, происходит подрыв пироболтов, соединяющих фермы ступеней, ступени расходятся, а продукты сгорания из камер ЖРД второй ступени, воздействуя на тепловой экран, тормозят и отталкивают первую ступень.
Третья ступень имеет цилиндрическую форму и состоит из приборного, топливного и хвостового отсеков. Двигательная установка третьей ступени РД-0212 - ЖРД конструкции С. А. Косберга. Этот двигатель состоит из маршевого однокамерного двигателя РД-0213 и четырехкамерного рулевого двигателя РД-0214. Маршевый двигатель по устройству и работе аналогичен двигателю РД-0210 второй ступени и является его модификацией. Тяга маршевого двигателя 588 кН в пустоте, а рулевого - 32 кН в пустоте. Разделение второй ступени происходит за счет тяги рулевого ЖРД третьей ступени, запускаемого до выключения маршевых ЖРД второй ступени, и торможения отделяемой части второй ступени имеющимися на ней шестью твердотопливными двигателями.
Отделение полезного груза осуществляется после выключения рулевого двигателя РД-0214. При этом третья ступень тормозится четырьмя твердотопливными двигателями. Для выведения полезной нагрузки на высокие, переходные к геостационарным, геостационарные и отлетные орбиты используется дополнительная ступень, называемая разгонным блоком (РБ). Разгонные блоки позволяют проводить многократные включения двигательных установок. Первые разгонные блоки для РН "Протон-К" были сделаны на базе ракетного блока Д носителя Н-1 (пятая ступень). Разработка велась в ОКБ-1 (сейчас РКК "Энергия" имени С. П. Королева). В составе РН "Протон-К" блок претерпел несколько модификаций. Сейчас используются разгонные блоки моделей ДМ-2 и ДМ-2М производства РКК "Энергия". ГКНПЦ им. М. В. Хруничева разработан разгонный блок "Бриз-М". Создание "Бриз-М" - только один из этапов модернизации РН "Протон-К". В результате осуществления целого комплекса мероприятий в рамках этой модернизации ракета приобретет новый технический облик и более широкие возможности, получая при этом новое название - "Протон-М".