A gép törzsét titániumból készítették, amit a hidegháború csúcsán a Szovjetuniótól csaltak ki különféle ürügyekkel. A gép építője minden lehetőséget megragadott, hogy az oroszokat félrevezesse a fém igazi felhasználásáról. A gyártási költségek elfogadható szinten való tartásához egy alacsonyabb hőmérsékleten megpuhuló titánium ötvözetet használtak. A gépet majdnem fekete sötétkékre festették, hogy így a súrlódási hőt minél jobban le tudja adni és beleolvadjon az égbolt sötétjébe.

A gép formáját úgy tervezték, hogy minél kisebb legyen a radarátmérője - az SR-71 tehát egy korai lopakodó repülőgép volt. A sárkány geometriáját is úgy alakították ki, hogy a hajtóművek beömlőnyílása pont a gép orra által keltett lökéshullámba estek, így gyakorlatilag a beömlő levegőt egy ramjethez hasonló módon sűrítették. Csúcssebességnél a tolóerő több, mint 80 százaléka ebből a ramjet hatásból eredt. Annak érdekében, hogy ez a hatás megfelelően érvényesülhessen azonban különlegesen tervezett, mozgatható beönmlőkúpokra volt szükség. Ha a beömlőkúpok rossz helyzetben voltak, akkor a légáramlás felbomlott és a hajtóművek leálltak - ezt a jelenséget nevezték unstart-nak (magyarul ez az indulás és a leállás szavakból barbár kifejezéssel kb. leindulásnak fordítható.) Unstart esetén a hajtómű tolólángját a beömlőkúpról szuperszonikus sebességgel leváló légáramlás gyakorlatilag úgy fújja el, mint egy gyertyát. Mivel unstart esetén a másik hajtómű áltlában továbbra is üzemelt, a tolóerő egyoldali, 50 százalékos csökkenése miatt a gép orra erőteljesen a kialudt hajtómű irányába rándult el. Ezek a meglehetősen gyors és erős rángások egy esetben a pilóta bukósisakját olyan erővel verték a pilótafülke oldalához, hogy a sisak berepedt. Ismereteink szerint azonban egyetlen egy gépet sem vesztettek el unstart miatt.

A Lockheed mérnökei idővel olyan irányítószoftvert fejlesztettek ki, amely a hajtóművek beömlőnyílásaiban található kúpokat úgy irányították, hogy azok visszaszerezték a levált lökéshullámot és a hajtóművet azelőtt visszagyújtották, hogy a pilóta egyáltalán tudatába került volna annak, hogy unstart következett be. Az SR-71 szerelői végül is több száz precíziós változtatást hajtottak végre a beömlőnyílások elülső légterelő nyílásain, amelyek segítségével sikeresen lehetett irányítani a lökéshullámot, megelőzni az unstartokat és növelni a teljesítményt.

A repülés közben fellépő magas hőmérsékletek miatt a repülőgép burkolatát lazán öszeillő elemekből készítették. A burkolatelemet csak akkor passzoltak össze, amikor a nagy sebességnél fellépő, levegővel való surlódás felmelegítette és több centiméterrel megnyújtotta a gépet. Emiatt, illetve azért, mert nem sikerült olyan üzemanyag-szigetelő anyagot találni, ami képes a magas hőmérsékleteket kibírni, a repülőgépből felszállás előtt a különlegesen kialakított JP-7 üzemanyag folytonosan szivárgott. A JP-7 egyébként meglehetősen furcsa abból a szempontból, hogy elég magas a lobbanáspontja - gyakorlatilag ez azt jelenti, hogy egy átlagos tűzet el lehet oltani egy vödör JP-7-tel.

A repülőgép felszállás után egy rövid, nagysebességű kört ír le, hogy így felmelegítse a burkolatát, majd a küldetés megkezdése előtt a levegőben tankolt. A gép hűtését úgy oldották meg, hogy üzemanyagot keringettek a szárnyak titánium belépőéle mögött. A hűtés ellenére azonban a gép leszállás után is olyan forró volt, hogy várni kellett a háromszáz fokos kabintető lehülésére. A magas hőviselése miatt szálmentes azbesztet is használtak.

A gép titánium felületén végzett tanulmányok kiderítették, hogy az idő múlásával a fém egyre erősebb lett - a heves súrlódási hőhatás következtében a fém állandó hőkezelésen esett át. Egy pár esetben megtörtént az is, hogy a küldetések után a fémfelület ráncos lett ott, ahol nem egyenlő mértékű volt az anyag hűlése. A szerelőket arra tanították, hogy ilyenkor a hagyományosabb anyagok elvágásához használt lángvágóval simítsák el a fémet.

Az SR-71 felszíne igazából nem síma, hanem hullámos. A hőtágulás miatti feszültségek szétszakították vagy felpúposították volna a síma felszínt. A hullámos felszín azonban függőleges és vízszintes irányban is tud nőni vagy csökkenni anélkül, hogy az anyagban veszélyes feszültségek lépnének fel. A légáramlási mérnökök teljes megbotránkozással fogadták az egyébként azóta jól bevált eljárást - ők úgy érezték, hogy hullámlemezből kell olyan gépet csinálni, mint a huszas évek repülői voltak, csak éppen ennek Mach 3-mal kell mennie.

A Blackbird J-58-as hajtóművei voltak az egyetlen olyan katonai hajtóművek, amelyeket kifejezetten arra terveztek, hogy állandó utánégetéssel működjenek. A sebesség növekedésével érdekes módon a hajtóművek hatékonysága csak tovább növekedett - a hagyományos sugárhajtóművek nem tudunak állandó utánégetéssel repülni és nagyobb sebességnél romlilk a hatékonyságuk.