Głównym obiektem badawczym laboratorium jest akcelerator CEBAF, który składa się ze spolaryzowanego źródła elektronów i wtryskiwacza oraz pary nadprzewodnikowych akceleratorów liniowych RF o długości 7/8 mil (1400 m). Końce dwóch liniowych akceleratorów są połączone ze sobą dwoma odcinkami łuku za pomocą magnesów, które zginają wiązkę elektronów w łuku. Tak więc, ścieżka wiązki jest owalem w kształcie toru wyścigowego. (Większość akceleratorów, takich jak CERN czy Fermilab, ma ścieżkę okrężną z wieloma krótkimi komorami przyspieszającymi elektrony rozrzucone wzdłuż okręgu). Ponieważ wiązka elektronów tworzy do pięciu kolejnych orbit, jej energia jest zwiększana do maksymalnie 6 GeV. W efekcie CEBAF jest akceleratorem liniowym (LINAC), podobnie jak SLAC w Stanford, który został złożony do jednej dziesiątej swojej normalnej długości. Działa on tak, jakby był akceleratorem liniowym o długości 7,8 mili.
Konstrukcja CEBAF pozwala, aby wiązka elektronów była ciągła, a nie impulsowa, typowa dla akceleratorów pierścieniowych. (Istnieje pewna struktura wiązki, ale impulsy są znacznie krótsze i bliższe siebie). Wiązka elektronów jest skierowana na trzy potencjalne cele (patrz poniżej). Jedną z cech wyróżniających JLaba jest ciągła natura wiązki elektronów, o długości wiązki mniejszej niż 1 pikosekunda. Inną jest wykorzystanie przez JLaba technologii nadprzewodnikowej RF (SRF), która wykorzystuje ciekły hel do chłodzenia niobu do około 4 K (-452,5°F), usuwając opór elektryczny i umożliwiając najbardziej efektywny transfer energii do elektronu. Aby to osiągnąć, JLab wykorzystuje największą na świecie ciekłą lodówkę z helem i był jednym z pierwszych dużych wdrożeń technologii SRF. Akcelerator zbudowany jest 8 metrów, czyli około 25 stóp, pod powierzchnią Ziemi, a ściany tuneli akceleratora mają grubość 2 stóp.
Wiązka kończy się w trzech eksperymentalnych salach, zwanych Salą A, Salą B i Salą C. Każda sala zawiera unikalny spektrometr do rejestracji wyników zderzeń wiązki elektronów z nieruchomym celem. Pozwala to fizykom na badanie struktury jądra atomowego, a w szczególności oddziaływania kwarków tworzących protony i neutrony jądra.
Zachowanie się cząsteczek
Za każdym razem wokół pętli, wiązka przechodzi przez każdy z dwóch akceleratorów LINAC, ale przez inny zestaw magnesów zginających. (Każdy zestaw jest zaprojektowany tak, aby obsłużyć inną prędkość wiązki.) Elektrony tworzą do pięciu przejść przez akceleratory LINAC.
Zdarzenie kolizji
Kiedy jądro w tarczy zostaje uderzone przez elektron z wiązki, następuje "oddziaływanie" lub "zdarzenie", rozpraszające cząstki na hallu. Każda hala zawiera szereg detektorów cząstek, które śledzą właściwości fizyczne cząstek wytwarzanych przez zdarzenie. Detektory generują impulsy elektryczne, które są przekształcane na wartości cyfrowe przez przetworniki analogowo-cyfrowe (ADC), przetworniki czasu do przetworników cyfrowych (TDC) i liczniki impulsów (skalery).
Te dane cyfrowe muszą być gromadzone i przechowywane, aby fizyk mógł później przeanalizować dane i zrekonstruować fizykę, która wystąpiła. System elektroniki i komputerów, które wykonują to zadanie, nazywany jest systemem zbierania danych.
Aktualizacja 12 GeV
Od czerwca 2010 roku rozpoczęto budowę dodatkowej stacji końcowej, hali D, na przeciwległym końcu akceleratora z pozostałych trzech hal, a także modernizację, która podwaja energię wiązki do 12 GeV. Równolegle budowany jest dodatek do laboratorium testowego (gdzie produkowane są wnęki SRF stosowane w CEBAF i innych akceleratorach stosowanych na całym świecie).
