По соображениям унификации была обеспечена возможность питания пушки как патронами типа АО-18, так и используемыми в ГШ-6-30 (хотя те и имеют порядочные различия по линейным габаритам, по длине отличаясь до сантиметра и более). Используя одноканальную схему с частичным совмещением операций по времени, ГШ-301 имеет ряд нетрадиционных принципов построения и функционирования автоматики. Так, элементом автоматики выступает патрон, его досылание производится практически безударным бросковым образом за счет энергии пружины досылателя, а экстракция стреляной гильзы после механического страгивания из затвора осуществляется газовым «выталкиванием», давлением пороховых газов выбрасывающим ее наружу со скоростью 100 м/с. Для рассеивания избыточной энергии подвижных частей и стабилизации работы автоматики при высоком темпе ведения огня используется кольцевая возвратная пружина с демпфированием двусторонним поршневым гидротормозом. Подачу ленты вместо шестеренчатого механизма осуществляет оригинальное устройство с движком, возвратно-поступательными движениями протаскивающим звенья. Подающий агрегат обеспечил достаточно плавное движение ленты, благодаря чему ее звенья, собираемые в звеньесборник, могут использоваться до трех раз подряд.
Для устранения задержек типа «осечка» в пушке имеется дополнительный запал, который пробивает гильзу сбоку и, воспламеняя пороховой заряд патрона, обеспечивает выстрел при отказе электроконтактного воспламенителя. Устройство дополнительного запала унифицировано с использовавшимся на ранних сериях пушки ГШ-30. От применения популярного метода перезарядки с помощью пиропатронов (пусть и более надежного) отказались ввиду сложности ее реализации в артиллерийских системах откатной схемы, где для этого потребовалось бы внедрять специальный механизм перезарядки, преобразующий энергию пороховых газов пиропатрона в усилие передергивания затвора и выбрасывания осечного патрона.
Скорострельная авиационная пушка ГШ-301.
Истребитель МиГ-29. Для учебных стрельб обычно ограничиваются снаряжением пушки короткой лентой на 10-15 патронов.
Патронный ящик с боекомплектом истребителя МиГ-29.
Для уменьшения тепловых нагрузок узлов пушки и патронов ГШ-301 в варианте 9А4071К имеет хорошо зарекомендовавшую себя водяную систему охлаждения в кожухе на стволе (точнее, водоиспарительнуто). На доработанных пушках в дополнение к ней предусмотрено охлаждение обдувом потоком воздуха.
Путем перестановки деталей механизма подачи пушка может быть собрана для правостороннего или левостороннего приема питания, в зависимости от ее компоновки на самолете. Так, на МиГ-29 пушка используется с правосторонним питанием лентой, поступающей из патронного ящика, находящегося перед носовой стойкой шасси, а на Су-27 пушка имеет подачу слева. На Су-27, где расположенный поперек машины патронный ящик встроен в отсек самолета и имеет изрядную длину, в его устройстве внедрили оригинальный прижимной механизм с пневматическим толкателем, поджимающим ленту к приемнику пушки, одновременно препятствуя ее перекатываниям и ударам внутри ящика при маневрах самолета (разработчики устройства нашли для определения его назначения мудреный термин «устранение возможности дезорганизации боеукладки»).