Pilvipalveluarkkitehtuuri viittaa joukkoon yhdistettyjä palvelimia, tallennusjärjestelmiä ja ohjaussolmuja, jotka voivat mahdollistaa hajautetun laskennan. Jokaisella pilvipalvelujärjestelmällä on tyypillisesti sekä käyttöliittymä, asiakastietokone että takaosa, joka koostuu sovelluspalvelimista, tietojen tallennuksesta ja jonkinlaisesta ohjaussolmusta. Verkko, joka yhdistää kaiken, on toinen tärkeä osa, joka voidaan yhdistää pilvilaskennan arkkitehtuuriin. Pilvipalveluarkkitehtuurin komponentit voidaan yhdistää toisiinsa paikallisesti tai Internetin kautta, ja asiakas käyttää niitä yleensä Internetin kautta.
Jokainen pilvipalveluarkkitehtuuriin liittyvä laitteistokomponentti kommunikoi tyypillisesti käyttämällä sovellusohjelmointirajapintoja (API), kuten erilaisia verkkopalveluja. Arkkitehtuurin käyttöliittymä, jonka asiakas tai käyttäjä näkee ja on vuorovaikutuksessa, voi olla monessa eri muodossa. Jotkut pilvilaskennan tapaukset käyttävät yleisiä käyttöliittymiä, kuten verkkoselaimia, jotka voivat käyttää pilvipohjaista sähköpostia tai muita palveluja. Muilla pilvipalveluiden käyttötarkoituksilla on omat ohjelmistojärjestelmät, jotka on suunniteltu tiettyjä tehtäviä varten.
Arkkitehtuurin takaosa koostuu tyypillisesti kolmesta pääkomponentista. Yksi näistä komponenteista on tietojen tallennus, johon tiedot voidaan sijoittaa myöhempää hakua varten. Asiakkaat tai pilvisovellukset voivat tallentaa tietoja pilveen. Pilvijärjestelmän datakapasiteetti on tyypillisesti melko suuri redundanssin mahdollistamiseksi. Tämä tarkoittaa pohjimmiltaan sitä, että pilviarkkitehtuurin tietojen tallennuskomponentti on yleensä suunniteltu tallentamaan enemmän kuin yksi kopio kustakin tietojoukosta siltä varalta, että jokin järjestelmän osa vioittuu tai ei ole käytettävissä.
Sovelluspalvelimet ovat toinen tärkeä komponentti, joka liittyy pilvilaskennan arkkitehtuuriin. Pilviarkkitehtuuri sisältää tyypillisesti useita erilaisia sovelluspalvelimia, joista jokainen voi olla vastuussa eri toiminnoista. Jokainen näistä palvelimista on yleensä suunniteltu yhden ohjelman tai palvelun suorittamiseen, ja monet niistä voivat olla asiakkaan käytettävissä käyttöliittymän kautta. Tällainen hajautettu asennus voi antaa järjestelmän toimia virtaviivaisemmalla tavalla kuin aikaisemmat monoliittiset mallit.
Viimeiset komponentit, jotka voivat olla apuna pilvipalveluarkkitehtuurissa, ovat ohjaussolmuja. Nämä erikoistuneet tietokoneet voidaan yhdistää datan tallennus- ja sovelluspalvelimiin Internetin tai muun verkon kautta. Käyttöliittymä on yleensä yhteydessä ohjaussolmuun, jolloin asiakas voi olla vuorovaikutuksessa sovelluspalvelimien kanssa. Ohjaussolmut yhdistävät tyypillisesti myös sovelluspalvelimia ja asiakkaita tietojen tallennukseen.