Аэродинамическая схема ракеты Р-33 - нормальная. В конструкции Р-33 широко использован титан и сталь, а защита отеков от кинетического нагрева в полете обеспечена теплоизолирующим покрытием — герметиком и теплозащитными матами, без системы принудительного охлаждения. Двигатель ракеты — двухрежимный, обеспечивающий стартовый разгон и маршевую скорость, расположен вблизи центра тяжести ракеты. Энергоблок в хвостовой части включает газогенераторы рулевых машин и турбогенератор электроснабжения.
Большая дальность полета Р-33 достигнута применением двухэтапного наведения: инерциального на первом участке и полуактивного радиолокационного после захвата цели всеракурсной РГСН. Информация о перемещении цели поступает на ракету с борта носителя перед пуском, а в расчетной точке начинается управление от ГСН с помощью РЛС истребителя.
При разработке Р-33 ее основной вероятный противник определялся как крылатые ракеты и ударные самолеты, прорывающие рубежи ПВО на малых высотах и под прикрытием средств РЭБ. С учетом этого система наведения комплекса имеет возможность обнаруживать цели на фоне земли, распознавать характер и производить селекцию от помех. Так, пассивные помехи вообще не влияют на работу РГСН. Р-33 способна поражать цели, летящие на высотах от 25 — 50м до 26 — 28км со скоростью до М=3.5 с превышением или принижением относительно носителя до 10км, причем одновременно пущенные ракеты могут наводиться «Заслоном» на объекты во всем диапазоне высот и дальностей — от земли до практического потолка. Самолеты противника, маневрирующие с перегрузкой 4g, уничтожаются с вероятностью 0.6-0.8.
Р-33 могут оснащаться обычной или «специальной» (ядерной) БЧ, хотя необходимость подсветки цели РЛС истребителя до самого попадания и ограничивает возможность применения ракет в ядерном исполнении (чтобы не сорвать наведение, после пуска экипаж вынужден продолжать полет в направлении цели). В варианте Р-ЗЗЭ («энергетическом») ракеты получили двигатель с увеличенным временем работы, обеспечившим большую дальность.
Система управления ракеты включает инерциальную навигационную систему и полуактивную радиолокационную головку самонаведения. Для модернизированного перехватчика МиГ-31Б, выпуск которого начался в 1990 г., была разработана усовершенствованная модификация ракеты - Р-33С с активной РГСН. Р-33 - первая советская ракета, оснащенная встроенной цифровой БЦВМ.
На МиГ-31М и МиГ-31БМ возможна подвеска до 6 Р-33С и одновременное поражение до 6 целей.
