Das GRACE-FO Science Instrument System (SIS) beinhaltet das Mikrowellen Intersatellitenabstandsmessgerät, den GNSS-Empfänger, der zur Durchführung der präzisen Bahnbestimmung und der Radiookkultationsmessungen notwendig ist, und andere Sensoren wie die Sternenkamera 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 stellt das GFZ Laser Retroreflektoren für beide Satelliten zur Verfügung, die eine unabhängige Kontrolle der aus GNSS abgeleiteten Bahnen liefern sollen. Das SIS koordiniert auch die Kompatibilität aller Sensoren untereinander und ihre Integration in den Satelliten.

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