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运载火箭总体设计是火箭本身各分系统的技术综合，使火箭的整体性能最优、成本最低、研制周期最短。对于各分系统之间的矛盾、分系统与全系统之间的矛盾，都要从总体性能及总体协调方面的需求来决定取舍。总体设计的工作内容可概括为三个方面：
① 选择和确定总体方案及性能参数；
② 对分系统提出设计要求，并进行技术协调；
③ 提出地面及飞行试验要求，参加试验，进行结果分析。
（1）可行性论证
运载火箭研制的依据是研制任务书，一般应规定以下九项技术性能指标作为研制的依据：运载能力及轨道要求、入轨精度及入轨姿态要求、有效载荷整流罩的净空间（尺寸）要求、有效载荷机械及电气接口适应范围、有效载荷的环境限制、飞行可靠性及发射可靠性指标要求、发射场位置、研制周期和研制经费。可行性论证是整个工程研制阶段前的一项开拓性工作，为满足上述技术性能指标，论证火箭将可能采取的各种技术方案、技术途径和总体方案构思及设想；同时估计整个工程的研制周期及经费预算，提出各项保证工程开展的支撑性预研课题等。可行性论证报告是火箭研制工程是否立项、决策判断的依据。
（2）总体方案设计
总体方案设计是继可行性论证之后总设计的首要环节，此项工作需经多次反复，直到整个研制阶段结束才能最后完成。总体方案设计包括火箭形式、火箭级数、有效载荷方案、各分系统方案四部分。
① 火箭形式 包括推进剂是液体还是固体，火箭是单级还是多级，多级火箭是并联还是串联。
② 火箭级数 理论上，级数选择按下列步骤进行：
a. 按有效载荷及轨道要求换算成需要的理想速度；
b. 按有效载荷的质量及所需的理想速度估算出火箭起飞质量或载荷比的范围；
c. 在确定选用的推进剂后可估计出真空比冲；
d. 按经验统计数据给出各子级的结构系数；
e. 计算分析得出级数。
实际上，级数选择并不完全依靠计算结果，通常是按经验及国内现有的技术水平来决定级数。一般液体火箭选两到三级，固体火箭可选三到四级。
③ 有效载荷方案 对运载火箭而言，一般不按照某一特定的运载任务来设计，而是尽量使火箭对不同的有效载荷、不同的轨道任务具有一定的适应性。运载火箭在确定总体方案时，主要关心有效载荷的特性有：有效载荷的轨道要求、有效载荷的最大质量、有效载荷的质量特性（质心位置，绕纵、横轴的惯量及惯性矩，推进剂充填系数等）、有效载荷的最大轮廓尺寸、有效载荷的机械接口与电气接口和有效载荷分离时刻的姿态要求等。同时，一般应对潜在的、待发射的有效载荷的特性进行统计，以确定其典型的特性范围，使火箭方案设计时留下足够的余量，以利于争取更多的有效载荷发射任务。
④ 各分系统方案 根据国内现有的设计技术水平及生产能力，结合预研成果及可能完成的技术改进，提出各分系统性能指标要求及技术状态。
a. 箭体结构系统。确定有效载荷整流罩、逃逸塔、助推器、推进剂储箱、仪器舱、箱间段、级间段和尾舱等主要部件的结构形式。
b. 推进系统。确定推进系统的主要性能参数及主要组成。
c. 控制系统。确定姿态的控制、制导及线路综合三部分的主要技术方案。
d. 故障检测处理系统。确定故障检测处理系统的主要任务，主要组成部分及检测参数数值。
火箭的基本组成部分有推进系统、箭体结构和有效载荷。有控火箭还装有制导和控制系统，有时还可根据需要在火箭上装设遥测、安全自毁和其他附加系统。图1.10是“长征三号”丙火箭结构示意图，图1.11是“长征五号”运载火箭结构示意图。推进系统是火箭飞行的动力源。固体火箭的推进系统就是固体火箭发动机。液体火箭的推进系统包括发动机、推进剂储箱、增压系统和管路阀门组等。
图1.10 “长征三号”丙火箭结构示意图
图1.11 “长征五号”运载火箭
箭体结构的作用是装载火箭的所有部件，使之构成一个整体。通常固体火箭发动机的壳体和液体火箭的箱体构成箭体结构的一部分。除此之外，还包括尾段、级间段、仪器舱结构和有效载荷整流罩等部分。箭体结构应有良好的空气动力外形。在完成相同功能的前提下，箭体结构的重量和体积越小越好。减轻箭体结构重量的途径，除设计技巧和工艺方法外，结构形式和材料的选择也很重要。有效载荷是火箭所要运送的物体，火箭的用途不同，有效载荷也不同。军用火箭的有效载荷就是战斗部（弹头）。科学研究用火箭的有效载荷是各种研究仪器。运载火箭的有效载荷则是人造卫星、载人或无人飞船、空间探测器等航天器。