Fasilitas penelitian utama laboratorium ini adalah akselerator CEBAF, yang terdiri atas sumber elektron terpolarisasi dan injektor serta sepasang akselerator linear RF superkonduktor sepanjang 7/8 mil (1400 m). Ujung-ujung kedua akselerator linear dihubungkan satu sama lain oleh dua bagian busur dengan magnet yang membengkokkan berkas elektron dalam busur. Jadi, jalur berkas elektron adalah jalur balap berbentuk oval. (Sebagian besar akselerator, seperti CERN atau Fermilab, memiliki jalur melingkar dengan banyak ruang pendek untuk mempercepat elektron yang tersebar di sepanjang lingkaran). Saat berkas elektron membuat hingga lima orbit berturut-turut, energinya ditingkatkan hingga maksimum 6 GeV. Secara efektif, CEBAF adalah akselerator linier (LINAC), seperti SLAC di Stanford, yang telah dilipat hingga sepersepuluh dari panjang normalnya. Ia bertindak seolah-olah akselerator linier sepanjang 7,8 mil.
Desain CEBAF memungkinkan berkas elektron menjadi kontinu daripada berkas berdenyut yang khas dari akselerator berbentuk cincin. (Ada beberapa struktur berkas, tetapi denyutnya jauh lebih pendek dan berdekatan). Berkas elektron diarahkan ke tiga target potensial (lihat di bawah). Salah satu fitur yang membedakan JLab adalah sifat kontinu dari berkas elektron, dengan panjang tandan kurang dari 1 picosecond. Yang lain adalah penggunaan teknologi RF superkonduktor (SRF) JLab, yang menggunakan helium cair untuk mendinginkan niobium hingga sekitar 4 K (-452,5 ° F), menghilangkan hambatan listrik dan memungkinkan transfer energi yang paling efisien ke elektron. Untuk mencapai hal ini, JLab menggunakan kulkas helium cair terbesar di dunia, dan merupakan salah satu implementator skala besar pertama dari teknologi SRF. Akselerator dibangun 8 meter, atau sekitar 25 kaki, di bawah permukaan bumi, dan dinding terowongan akselerator setebal 2 kaki.
Berkas tersebut berakhir di tiga ruang eksperimental, yang disebut Hall A, Hall B, dan Hall C. Setiap hall berisi spektrometer yang unik untuk merekam hasil tabrakan antara berkas elektron dan target stasioner. Hal ini memungkinkan fisikawan untuk mempelajari struktur inti atom, khususnya interaksi quark yang membentuk proton dan neutron inti.
Perilaku partikel
Setiap kali mengelilingi loop, berkas melewati masing-masing dari dua akselerator LINAC, tetapi melalui satu set magnet lentur yang berbeda. (Setiap set dirancang untuk menangani kecepatan berkas yang berbeda.) Elektron membuat hingga lima lintasan melalui akselerator LINAC.
Peristiwa tabrakan
Ketika sebuah nukleus dalam target terkena elektron dari berkas, maka terjadi "interaksi", atau "peristiwa", yang menghamburkan partikel ke dalam aula. Setiap aula berisi serangkaian detektor partikel yang melacak sifat fisik partikel yang dihasilkan oleh peristiwa tersebut. Detektor menghasilkan pulsa listrik yang diubah menjadi nilai digital oleh konverter analog ke digital (ADC), konverter waktu ke digital (TDC) dan penghitung denyut nadi (scalers).
Data digital ini harus dikumpulkan dan disimpan sehingga fisikawan nantinya dapat menganalisis data dan merekonstruksi fisika yang terjadi. Sistem elektronik dan komputer yang melakukan tugas ini disebut sistem akuisisi data.
Peningkatan 12 GeV
Pada bulan Juni 2010, konstruksi telah memulai stasiun akhir tambahan, Hall D, di ujung akselerator yang berlawanan dari tiga hall lainnya, serta peningkatan yang menggandakan energi berkas menjadi 12 GeV. Bersamaan dengan itu, sebuah tambahan untuk Lab Uji, (di mana rongga SRF yang digunakan dalam CEBAF dan akselerator lain yang digunakan di seluruh dunia diproduksi) sedang dibangun.
