מרכיבי הליבה של מעבד חיישן כוללים את ממשק החיישן, ממיר אנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC), יחידת עיבוד נתונים ומודול תקשורת. כל אחד מהרכיבים הללו ממלא תפקיד חיוני ברכישה, ההמרה, העיבוד והשידור של נתוני חיישנים. ממשק החיישן משמש כגשר המחבר את המעבד לחיישן; היא אחראית על קליטת אותות שיוצאים על ידי החיישן-אותות שיכולים להיות אנלוגיים או דיגיטליים. העיצוב של ממשק זה חייב להבטיח כי אותות מועברים למודולי עיבוד הבאים בצורה יציבה ויעילה.
הממיר האנלוגי-ל-דיגיטלי (ADC) הוא מרכיב קריטי נוסף של מעבד החיישן, שמטרתו להמיר אותות אנלוגיים המתקבלים מהחיישן לאותות דיגיטליים. מכיוון שרוב החיישנים מוציאים אותות אנלוגיים, תפקידו של ה-ADC הוא להפוך את האותות הללו לנתונים דיגיטליים שמחשב יכול לעבד. לאחר ההמרה, ניתן לאחסן, לנתח ולשדר את האותות הדיגיטליים הללו בקלות רבה יותר. הדיוק ושיעור ההמרה של ה-ADC משפיעים ישירות על איכות הנתונים ויעילות העיבוד; לכן, במהלך שלב התכנון, חיוני להבטיח של-ADC יש דיוק ומהירות דגימה מספיקים כדי לעמוד בדרישות של תרחישי יישומים שונים.
יחידת עיבוד הנתונים פועלת כ"מוח" של מעבד החיישן, האחראי על עיבוד וניתוח האותות הדיגיטליים הנכנסים. יחידה זו משלבת בדרך כלל יחידת עיבוד מרכזית (CPU) או מעבד אותות דיגיטלי (DSP) ומבצעת פעולות-כגון סינון נתונים, חילוץ תכונות והפחתת רעש-בהתבסס על אלגוריתמים מוגדרים- מראש. ביישומים מורכבים יותר, יחידת עיבוד הנתונים עשויה גם לשלב למידת מכונה או אלגוריתמים של בינה מלאכותית כדי להקל על ניתוח נתונים אוטומטיים ותמיכה בהחלטות. לבסוף, מודול התקשורת אחראי להעברת הנתונים המעובדים-באמצעות חיבורים אלחוטיים או קוויים-להתקני מסוף או מערכות מבוססות-ענן, ובכך להבטיח שיתוף ואחסון בזמן של נתונים. מודול זה עשוי לתמוך בפרוטוקולי תקשורת נפוצים כגון Wi{10}Fi, Bluetooth או Zigbee.