Program ma modułową architekturę opartą na tzw. środowiskach roboczych, przeznaczonych do wykonywania określonych zadań, takich jak szkicowanie w 2D, modelowanie brył, przygotowanie dokumentacji 2D, analiza wytrzymałościowa czy projektowanie pod CAM. Interfejs umożliwia włączanie tylko tych modułów, które są w danym momencie potrzebne, co pozwala ograniczyć liczbę wyświetlanych narzędzi.
FreeCAD wykorzystuje zewnętrzne biblioteki do obliczeń geometrycznych i wizualizacji, a modele są zazwyczaj reprezentowane jako bryły CAD oparte na jądrze geometrycznym typu B-Rep. Program obsługuje zarówno pracę z dokładnymi bryłami, jak i z siatkami trójkątnymi, stosowanymi m.in. w druku 3D.
Pod względem technicznym FreeCAD jest rozwijany przede wszystkim w językach C++ i Python. W materiałach deweloperskich projektu języki te są wskazywane jako podstawowy zestaw narzędzi programistycznych, natomiast interfejs graficzny programu oparto na frameworku Qt. Oficjalne repozytorium projektu wymienia ponadto szerokie API Pythona, jądro geometryczne oraz bibliotekę obsługującą reprezentację sceny 3D.