航母打击群预警探测结构主要包括侦察卫星、预警机、“宙斯盾”舰载雷达以及潜艇组成，构建远、中、近三层侦察预警体系。
侦察卫星方面，美军目前已经建立起全球高分辨率的侦察卫星系统，成像侦察上目前有5颗“锁眼”、3颗“长曲棍球”、3颗“未来成像体系”等，最高分辨率可达0.1米；电子侦察上有3颗“水星”、5颗“门特”、4颗“号角”，可同时监听数千个地面信号、截获导弹发射数据信息；海洋监视上有10颗“联合天基广域监视系统”卫星，采用双星组网方式工作；导弹预警上则建立起“天基红外系统”，可在导弹发射20秒内向航母打击群提供预警信息。
打击群远程预警主要由预警机和前哨“宙斯盾”舰AN/SPY-1雷达（一般1艘“宙斯盾”舰前出航母75千米，担负先期警戒任务）组成，最大探测距离可达750-1100千米。其中，E-2D预警机AN/APY-9雷达对雷达截面积为3-5平方米的空中目标作用距离648千米，可识别隐身目标和小型目标；该型机还配备电子监视系统，可对雷达探测距离外的雷达与电子信号进行探测和分类。
打击群中程预警主要由水面舰载雷达组成，可覆盖463千米的空域，对296-407千米内的空中目标进行预警。其中，AN/SPY-1雷达可同时跟踪200个目标，可提供4-6分钟预警时间；同时，美军计划在“伯克”3型驱逐舰（DDG-124以后）装备新型AN/SPY-6雷达，可在2倍的距离探测1/2大小的目标，还具备雷达导航和电子战能力。
打击群近程预警主要由舰载AN/SPS-55、AN/SPQ-9B、AN/SPS-67等型雷达组成，最大作用距离为104千米，可对小型水面目标（潜望镜）以及低空飞机进行探测。
航母打击群防空作战区分为预警区和作战区，预警区第1层即为天基卫星和上级情报支援、第2层即为舰载预警机和水面舰，作战区按作战兵力可划分为战斗机作战区、混合区和导弹防御区，反导拦截区域分为远、中、近程，作战高度基本在25千米左右。
远程防空反导拦截时，打击群主要作战兵力为F-35C战斗机以及F/A-18C/E/F战斗机，分布在航母周围300海里（555千米）区域内，F-35C战斗机雷达作用距离125千米、F/A-18C/E/F雷达作用距离为110-180千米，在E-2D预警机引导下对80千米范围的战斗机、100千米范围的轰炸机发现概率90%。
中程防空拦截时（即混合区和导弹拦截区部分区域、距航母50-185千米），打击群主要作战兵力为“伯克”级驱逐舰和“提康德罗加”级巡洋舰，可携载“标准”系列导弹等，其中，“伯克”级驱逐舰有96个发射单元，DDG51-78具备防空反导能力、DDG113以后具备一体化防空反导能力；“提康德罗加”级巡洋舰有122个发射单元，CG59-64具备防空反导能力。近程防空拦截时（即导弹拦截区部分区域、距航母50千米），打击群主要作战兵力为航母及“宙斯盾”舰的“标准”系列导弹、“拉姆”导弹、“改进型海麻雀”导弹、近程“密集阵”防空炮等。此外，2015年美海军“分布式杀伤”概念提出后，计划使用“海拉姆”系统替换“密集阵”防空炮，因此未来“宙斯盾”舰近防距离将由1.5千米扩展至10千米；“福特”级航母新增的电磁轨道炮以及激光武器可以拦截10倍声速的导弹。
