Запирание канала ствола осуществляется клиновым затвором, т. е. перекосом всего затвора влево. Затвор представляет собой сложное призматическое тело. Спереди затвора находится зеркало с отверстием под выход бойка, с жесткими захватами для направления и фиксации фланца (шляпки) гильзы и по два гнезда под выбрасыватели и фиксаторы с пружинами. Сверху и снизу затвора находятся по два боевых выступа, взаимодействующих с боевыми упорами ствольной коробки. Левый верхний боевой выступ играет также роль досылателя патрона. Сзади затвора находится горизонтальная прорезь для размещения серег и два вертикальных отверстия под оси серег. В переднем положении затвор, соединенный серьгами с ведущим элементом (затворной рамой), смещается влево, его боевые выступы заходят за выступы ствольной коробки. Ведущим звеном автоматики служит затворная рама, с которой шарнирно соединен шток газового поршня. Затворная рама представляет собой призматический стержень с вырезом и поперечным отверстием впереди для соединения с поршнем и фигурным Г-образным выступом (сапожком) сзади, с выступами для соединения с серьгами затвора и тремя роликами для движениярамы по направляющим коробки — наличие роликов делает работу автоматики плавнее и надежнее. Возвратно-боевая пружина размещена в канале затворной рамы. В задней части возвратного механизма установлена буферная пружина, смягчающая удар затворной рамы при движении ее назад. Рукоятка перезаряжания расположена справа и во время стрельбы остается неподвижной.

Выстрел производится с заднего шептала. Спусковой механизм расположен в отдельном корпусе с прицельной колодкой сверху задней части ствольной коробки и включает шептало, ось и пружину шептала, задержку затворной рамы, предохранитель с пружиной, рычаг шептала, две оси, два ролика шептала с осями, рычаг толкателя с роликом и осью спусковой рычаг с осью. Спусковой механизм допускает ведение только автоматического огня и приводится в действие толкателем, расположенным на задней стенке ствольной коробки и, в свою очередь, связанным с электроспуском или механическим спуском установки пулемета. Флажковый неавтоматический предохранитель блокирует шептало, удерживающее затворную раму за боевой взвод.

Питание НСВ — из металлической звеньевой ленты, собираемой из отрезков по 10 звеньев, с правой или с левой подачей. Механизмом подачи ползункового типа приводится в движение специальным скосом затворной рамы и состоит из: основания приемника (лотка), на котором закреплены съемник звена ленты, фиксирующие пальцы, фиксатор; крышки приемника с ползуном подачи, рычагами, защитными крышками; защелки крышки; пространственного рычага (качалки) с роликом для передачи движения от затворной рамы к передаточному механизму ползуна подачи.

Чтобы зарядить пулемет, необходимо: открыть крышку приемника и положить ленту с патронами на лоток так, чтобы первый патрон зашел за фиксирующие пальцы, закрыть крышку приемника, повернуть флажок предохранителя вперед, в положение «огонь» и за рукоятку перезаряжания отвести подвижные части назад до постановки рамы на боевой взвод, вернуть рукоятку перезаряжания в исходное положение.

При нажатии на спусковой рычаг или кнопку электроспуска толкатель через рычаги толкателя и шептала выводит шептало из зацепления с боевым взводом затворной рамы. Затворная рама под действием возвратно-боевой пружины идет вперед и через серьги затвора увлекает с собой затвор. Затвор при этом удерживается от поперечного смещения левым ребром горизонтальной направляющей затворной рамы. Затвор своим левым верхним боевым выступом выталкивает патрон из ленты (патрон уже вдвинут из ленты съемником звена) и досылает его в патронник, а затворная рама, взаимодействуя своим наклонным выступом и профильным скосом с нижним рычагом качалки, передает движение механизму подачи. Ползун механизма подачи со своими пальцами перемещается вправо, совершая холостой ход. Его пальцы проходят под звеном ленты, а затем вновь опускаются и заходят за очередное звено ленты.

При подходе в переднее положение затвор своими выступами набегает на профильные поверхности вкладыша ствольной коробки и начинает смещаться влево. Затворная рама, продолжая движение вперед, с помощью поворачивающихся серег окончательно смещает затвор влево. При этом боевые выступы затвора заходят за боевые упоры вкладыша ствольной коробки. В этот момент верхний и нижний выбрасыватели заскакивают за фланец гильзы. По окончании запирания канала ствола левая шарнирная серьга, связывающая затвор с затворной рамой, окончательно поворачивается и бьет по ударнику. Последний продвигается вперед и накалывает капсюль. Происходит выстрел.

После прохода пулей газоотводного отверстия часть пороховых газов через отводной канал, газовый регулятор и патрубок поступают в полость газового поршня, где они расширяются и вызывают движение поршня, а с ним и затворной рамы, назад. Затворная рама при движении назад разворачивает серьги, которые перемещают затвор вправо и вводят его из зацепления с боевыми упорами вкладыша коробки — происходит отпирание. В момент отпирания происходит небольшое предварительное смещение (сдвиг) стреляной гильзы в патроннике, что облегчает ее последующее извлечение без риска разрыва. Затвор, двигаясь назад вместе с затворной рамой, извлекает из патронника гильзу, а затворная рама, взаимодействуя своим наклонным выступом и профильным скосом с нижним рычагом качалки, поворачивает его. Качалка поворачивает рычаги механизма подачи. Ползун подачи при этом перемещается влево и своими пальцами продвигает патрон со звеном ленты до упора в съемник звена. Звено находит на съемник, а патроны опускаются в приемное окно. При этом фиксирующие пальцы удерживают ленту с патронами от обратного перемещения, а фиксатор ограничивает перемещение следующего патрона. При подходе затворной рамы к отражателю она воздействует на его заднее перо, при этом переднее перо разворачивающегося отражателя смещает гильзу вдоль зеркала затвора вправо. Гильза все еще удерживается в затворе фиксатором.

В крайнем заднем положении затворная рама ударяется о буферное устройство и начинает движение вперед — под действием возвратно-боевой пружины и импульса буферной пружины. Далее — если шептало по-прежнему опущено — работа механизмов повторяется. Но теперь в затворе справа находится стреляная гильза. В момент нового запирания канала ствола толкатель рамы вытолкнет гильзу в гильзоотводный канал ствольной коробки. Оттуда ее вытолкнет вперед следующая гильза. Выброс гильз вперед и работа спускового механизма от толкателя позволяет монтировать пулемет НСВ на различных установках, включая танковые и фортификационные.

В станковом варианте пулемет обозначается НСВ-С-12,7. Повышению маневренных качеств пулемета способствовал отказ от универсального станка. Для стрельбы по наземным целям служит треножный станок 6Т7 конструкции Л.В. Степанова и К.А. Барышева. Пулемет крепится в люльке, на которой также смонтированы подпружиненный трубчатый приклад, пистолетная рукоятка, спусковой механизм, механизм перезаряжания, кронштейн прицела. Таким образом, органы управления стали принадлежностью станка, а не «тела» пулемета, что делает сам пулемет более универсальным. Приклад и пистолетная рукоятка намного повышают удобство управления, в то время как большая часть энергии отдачи через станок уходит в грунт, частично затрачиваясь и на смещение станка. Понятно, что это улучшает меткость стрельбы. Наличие плечевого упора позволяет вести прицельную стрельбы без закрепления станка на грунте. Плечевой упор в виде прямоугольной петли удобен для охвата ладонью при стрельбе или переноске. При нажатии на спусковой крючок утапливается толкатель спускового механизма пулемета. Механизм перезаряжания сделан тросовым по типу старых авиационных пулеметов: стрелок тянет рукоятку тросика, тот вращает барабан со звездочкой, приводящей в движение планку; планка же сцепляется с рукояткой перезаряжания пулемета. Механизм наведения по горизонтали — секторный, по вертикали — стержневой. Для лучшей устойчивости при стрельбе передняя нога имеет откидной сошник для мягкого грунта и клыкидля твердого, амортизирующую пружину. Регулируя положение ног, можно менять высоту линии огня от 310 до 410 мм. Стрельбу можно вести из положения лежа. В походном положении сложенный станок переносится за спиной вторым номером расчета. В бою расчет может переносить пулемет на станке за рукоятку ствола и приклад станка. Заметим, как изменилось отношение массы станка к массе «тела» пулемета — с 3,65 у ДШКМ до 0,64 у НСВ-С, но меткость стрельбы при этом не ухудшилась.