一个GFS集群包含一个主服务器和多个块服务器，被多个客户端访问，如图1。这些机器通常都是普通的Linux机器，运行着一个基于用户层的服务进程。如果机器的资源允许，而且运行多个程序带来的低稳定性是可以接受的话，我们可以很简单的把块服务器和客户端运行在同一台机器。
文件被分割成固定尺寸的块。在每个块创建的时候，服务器分配给它一个不变的、全球唯一的64位的块句柄对它进行标识。块服务器把块作为linux文件保存在本地硬盘上，并根据指定的块句柄和字节范围来读写块数据。为了保证可靠性，每个块都会复制到多个块服务器上。缺省情况下，我们保存三个备份，不过用户可以为不同的文件命名空间设定不同的复制级别。
主服务器管理文件系统所有的元数据。这包括名称空间，访问控制信息，文件到块的映射信息，以及块当前所在的位置。它还管理系统范围的活动，例如块租用管理，孤儿块的垃圾回收，以及块在块服务器间的移动。主服务器用心跳信息周期地跟每个块服务器通讯，给他们以指示并收集他们的状态。
GFS客户端代码被嵌入到每个程序里，它实现了Google文件系统API，帮助应用程序与主服务器和块服务器通讯，对数据进行读写。客户端跟主服务器交互进行元数据操作，但是所有的数据操作的通讯都是直接和块服务器进行的。我们并不提供POSIX API，而且调用不需要深入到Linux的vnode级别。
不管是客户端还是块服务器都不缓存文件数据。客户端缓存几乎没什么好处，因为大部分程序读取巨大文件的全部，或者工作集太大无法被缓存。不进行缓存简化了客户端和整个系统，因为无需考虑缓存相关的问题。（不过，客户端会缓存元数据。）块服务器不需要缓存文件数据的原因是，块保存成本地文件形式，Linux的缓冲器会把经常被访问的数据缓存在内存中。
