Gaïa observera les astres à l’aide de trois détecteurs différents : un instrument astrométrique dédié à la mesure de la position d’étoiles jusqu’à un million de fois moins brillantes que les plus faibles étoiles visibles à l’œil nu ; un instrument spectro-photométrique permettant l’acquisition de spectres d'étoiles de l’ultraviolet à l’infrarouge ; et un spectromètre haute résolution pour mesurer la vitesse radiale des étoiles.