Das GRACE-FO Science Instrument System (SIS) beinhaltet alle Komponenten des K/Ka-Band Mikrowelleninstruments zur Messung des Abstands zwischen beiden Satelliten, den GPS-Empfänger, der zur Durchführung der präzisen Bahnbestimmung und der Radiookkultationsmessungen notwendig ist, und andere Sensoren wie die Sternkameras zur präzisen Lagebestimmung oder die Akzelerometer zur Korrektur von nicht-gravitativen Störbeschleunigungen. Diese Instrumente sind im Prinzip identisch zu den bereits bei GRACE eingesetzten Elementen, basieren aber auf modernisierter Hard- und Software. Zusätzlich wird auf GRACE-FO ein Laser Ranging Interferometer (LRI) als Technologie-Demonstrator eingesetzt, mit dessen Hilfe gegenüber dem Standard-Mikrowelleninstrument genauere Abstands- und Abstandsänderungen beobachtet und damit präzisere Schwerefeldmodelle abgeleitet werden können. Zusätzlich hat das GFZ Laser-Retroreflektoren für beide Satelliten zur Verfügung gestellt, die eine unabhängige Kontrolle der aus GPS abgeleiteten Bahnen ermöglichen Das SIS koordiniert auch die Kompatibilität aller Sensoren untereinander und ihre Integration in den Satelliten.

Die verschiedenen SIS-Komponenten sind auf den englischen Seiten beschrieben. Die Attitude and Orbit Control System (Lage- und Bahnregelung, AOCS) Sensoren, die neben dem GPS-Empfänger einen Coarse Earth Sun Sensor (CESS), eine Inertial Measurement Unit (IMU) und ein Fluxgate Magnetometer beinhalten, sind auf den englischen Seiten des Satellitensystems beschrieben.