За ГСН последовательно располагались рулевой привод треугольных аэродинамических рулей, аппаратура системы управления, боевая часть и оптический взрыватель. Далее устанавливались твердотопливный ракетный двигатель, на хвостовом отсеке которого были закреплены трапециевидные крылья ракеты. На ракете был применен однокамерный двухрежимный ракетный твердотопливный двигатель. На стартовом участке ракета разгонялась до скорости около 420 м/с, которая затем поддерживалась примерно постоянной на маршевом участке.

Ракета не стабилизировалась по крену. Угловая скорость относительно продольной оси ограничивалась за счет использования роллеронов - своего рода небольших рулей на крыле (хвостовом оперении), внутри которых были вмонтированы диски, связанные с рулями. Гироскопический момент от быстровращающихся дисков разворачивал роллерон таким образом, что возникающая аэродинамическая сила затормаживала креновое вращение ракеты. Подобное устройство было впервые применено на американской ракете класса "воздух-воздух" "Сайдуиндер" и на ее советской копии К-13, запущенной в серию одновременно с началом разработки "Стрелы-1". Однако на этих ракетах роллероны с небольшими лопатками по окружности раскручивались задолго до пуска ракеты под воздействием воздушного потока, обтекающего самолет-носитель. Для своевременной раскрутки роллеронов ЗУР конструкторы ЗРК "Стрела-1" использовали изящное и простое устройство. На роллерон наматывался тросик, свободным концом закрепленный на ТПК. При старте роллероны раскручивались тросиком по схеме, аналогичной применяемой для пуска лодочных моторов.

При прямом попадании в цель контактный магнитоэлектрический датчик, а в случае пролета ракеты вблизи цели - неконтактный электронно-оптический датчик, задействовали предохранительно-исполнительный механизм (ПИМ) на подрыв боевой части ЗУР. При большом промахе предохранительно-исполнительный механизм через 13... 16 с выводился из боевого положения и уже не мог подорвать БЧ. При падении на землю ЗУР не взрывалась, а деформировалась, не нанося значительного ущерба своим войскам.

Боевая машина 9A3I ЗРК "Стрела-1" в походном положении

Длина ракеты составляла около 1,8 м, диаметр - 120 мм, размах крыла - 360 мм.

Наряду с ракетой переносного комплекса "Стрела-2", ракета 9М31 была одной из двух первых отечественных ЗУР, которые хранились, транспортировались в транспортно-пусковом контейнере и запускались непосредственно из него. Пылебрызгозащитный транспортно-пусковой контейнер 9Я23,  предохранявший ракету от механических повреждений, крепился к раме ПУ с помощью бугелей.

Боевая работа ЗРК "Стрела-1" осуществлялась в следующем порядке. При получении целеуказания или при самостоятельном визуальном обнаружении цели стрелок-оператор наводил пусковую установку с ЗУР на цель, используя для повышения точности оптический визир. Одновременно включалось питание борта первой ЗУР (через 5 секунд - второй ЗУР) и открывались крышки транспортно-пусковых контейнеров. Услышав звуковой сигнал о захвате цели ГСН и визуально оценив момент входа цели в зону пуска, оператор нажатием кнопки "Пуск" осуществлял старт ракеты. При движении ракеты по контейнеру срезался кабель электрического питания ЗУР, при этом в предохранительно-исполнительном механизме снималась первая ступень предохранения. Стрельба велась по принципу "выстрелил и забыл".

По результатам испытаний были определены вероятности поражения одной ЗУР при стрельбе навстречу цели, летящей со скоростью 200 м/ с на высоте 50 м. Они составляли от 0,15 до 0,64 - для бомбардировщика и от 0,1 до 0,6 - для истребителя. При увеличении скорости цели до 300 м/с и высоты до 1000 м вероятности составили от 0,15 до 0,52 - для бомбардировщика и от 0,1 до 0,42 - для истребителя.

При стрельбе вдогон вероятность поражения целей, летящих со скоростью 300 м/с, составила 0,47...0,49, а со скоростью 200 м/с - 0,52...0,65.

В соответствии с рекомендациями Госкомиссии по проведению испытаний в период 1968-1970 гг. провели модернизацию комплекса. В состав ЗРК был введен пассивный радиопеленгатор (ПРП) разработки Ленинградского НИИ "Вектор" Министерства радиопромышленности, обеспечивающий обнаружение целей с включенными бортовыми радиосредствами, их сопровождение и ввод в поле зрения оптического визира. Предусматривалась возможность целеуказания по данным ЗРК с пассивным радиопеленгатором другим ЗРК "Стрела-1" упрощенной комплектации - без пеленгатора.

Компоновка ракеты 9М31 ЗРК "Стрела-1". 1. Фотоконтрастная ГСН 2. Рулевая машинка 3. Бортовая аппаратура 4. Боевая часть 5. Неконтактный взрыватель 6. РДТТ 7. Роллеры 8. Ротор роллера