Длина ствола 1524 мм, общая длина пушки 1875 мм. Вес самой пушки 120-136 кг, вес пушки с системой подачи, но без патронов – 190 кг Темп стрельбы 6000 выстр./мин. Часть пушек имела еще и уменьшенный темп стрельбы – 4000 выстр /мин для стрельбы по наземным целям Время выхода на максимальный темп стрельбы – 0,3 с.
Питание пушки беззвеньевое из цилиндрического магазина емкостью около 1000 патронов Магазин соединялся с пушкой при помощи одной или двух конвейерных лент, расположенных в эластичных направляющих рукавах. При одной конвейерной ленте стреляные гильзы отражались наружу, однако в тех случаях, когда отражение гильз наружу недопустимо, в установках предусмотрен
возвратный конвейер для стреляных гильз. В цилиндрическом магазине патроны расположены между радиальными перегородками. Центральный ротор, выполненный в форме архимедова винта, постепенно перемещает патроны из магазина в конвейер.
Внешний привод подачи патронов – вал, соединенный с гидроприводом пушки. Тип подачи – двухконвейерный: стреляные гильзы возвращаются в магазин. Общая длина направляющих рукавов 4,6 м.
Стрельба из пушки М61А1 ведется стандартными патронами «20x102», теми же, что и у пушки М39. Патроны снаряжены бронебойно-зажигательными, подкалиберны- ми, осколочно-зажигательными и осколочными снарядами. С начала 90-х годов большинство снарядов снабжается пластмассовыми ведущими поясками. Начальная скорость калиберного снаряда 1030 м/с, подкалиберно- го – 1100 м/с, эффективная дальность стрельбы – до 1000 м. Подкалиберный снаряд со стальным сердечником на дистанции 800 м по нормали пробивает 16-мм броню.
При стрельбе из авиационной пушки возникают резонансные вибрации, приводящие иногда к нарушению нормальной работы бортового электронного оборудования. Так, например, при стрельбе из пушки М61А1, установленной на самолете F-16 (сентябрь 1979 г.), из-за вибраций нарушилась нормальная работа навигационного компьютера. При тренировочных полетах на высоте 4200 м при стрельбе из пушки наблюдались несанкционированные развороты самолета. Выход был найден в незначительном изменении темпа стрельбы, исключившем появление резонансных колебаний.
Пушка М61А1 имеет вариант GAU-4A, основным отличием которого является отсутствие внешнего привода пушки. В GAU-4A для вращения блока стволов используются отводимые из трех стволов пороховые газы. Первоначальная раскрутка блока стволов обеспечивается инерционным стартовым устройством с электрическим двигателем. Все перечисленные характеристики М61А1 идентичны для пушки GAU-4A.
Первым самолетом, оснащенным пушкой «Вулкан» М61А1, был истребитель-бомбардировщик F-105 «Тан- дерчиф». Пушка была встроена в фюзеляж самолета.
С 1961 г. пушками М61А1 начали оснащаться истребители F-4C «Фантом», которые первоначально были вооружены только ракетами. На истребителе F-4C размещались 2 пушки в подвесных установках с боекомплектом 1200 снарядов в каждой. Однако при ведении воздушного боя эффективность подвесных установок была недостаточной из-за влияния вибрации на точность стрельбы. Был сделан вывод, что оптимальным является размещение пушки по продольной оси самолета или вблизи ее. Поэтому для вооружения истребителей F-4E, F-14A, F-15 и F-16 принята встроенная пушка.
Пушками М61А1 вооружались истребители-бомбардировщики F-111 A, F-104, палубные штурмовики A-7D и А-7Е.
Пушка М61А1 стала последней, которая использовалась в кормовых оборонительных установках американских бомбардировщиков. Пушками «Вулкан» были оснащены кормовые (хвостовые) установки стратегических бомбардировщиков В-52 и В-58. Кроме того, на базе авиационной пушки «Вулкан» были созданы корабельные 20-мм установки «Вулкан-Фаланкс», а также ряд зенитных самоходных установок.
Для 20-мм пушек М61А1 и GAU-4 в США были разработаны подвесные контейнеры SUU-23A и SUU-16A. Они устанавливались на дозвуковых и сверхзвуковых истребителях и штурмовиках. Основное назначение пушек – ведение огня по наземным целям на дистанции до 700 м.
Чтобы исключить подачу электроэнергии для вращения блока стволов, с борта самолета-носителя контейнера автоматика пушки М61А1 приводится в действие от воздушной турбины, работающей от набегающего потока. Турбина смонтирована на откидной панели контейнера, которая, опускаясь, ставит турбину под воздействие воздушного потока. Использование воздушной турбины приводит к ограничению скорострельности при скоростях самолета менее 650 км/ч и увеличению сопротивления воздуха по сравнению с сопротивлением воздуха, испытываемым контейнером SUU-23A с пушкой GAU-4. Для разгона блока стволов пушки GAU-4 перед каждой очередью выстрелов используется электрический стартер.