Un roulement à billes classique se compose de bagues intérieure et extérieure, de plusieurs billes sphériques séparées par un porte-billes, et souvent de flasques et/ou de joints d'étanchéité conçus pour empêcher la pénétration de poussière et retenir la graisse. Lors de l'installation, la bague intérieure est généralement emmanchée à force sur un arbre et la bague extérieure est maintenue dans un logement. Il existe des modèles conçus pour supporter des charges radiales pures, des charges axiales pures (poussée) et des charges combinées radiales et axiales.

Les roulements à billes sont dits à contact ponctuel ; autrement dit, chaque bille entre en contact avec la bague sur une très petite surface – un point, en théorie. Les roulements sont conçus de telle sorte que la légère déformation subie par la bille lors de son passage dans la zone de charge ne dépasse pas la limite d'élasticité du matériau ; la bille non chargée reprend sa forme initiale. Les roulements à billes n'ont pas une durée de vie infinie. Ils finissent par tomber en panne, par fatigue, par écaillage ou pour d'autres raisons. Leur conception repose sur une durée de vie utile statistique, un certain nombre de roulements étant susceptibles de tomber en panne après un nombre déterminé de tours.

Les fabricants proposent des roulements radiaux à une rangée, disponibles en quatre séries et dans une gamme de diamètres d'alésage standard. Les roulements à contact oblique sont conçus pour supporter une charge axiale dans un sens et peuvent être doublés pour supporter une charge axiale dans deux sens.

L'alignement de l'arbre et du palier est essentiel à la durée de vie de ce dernier. Pour une meilleure tolérance aux défauts d'alignement, on utilise des paliers auto-aligneurs.

Pour augmenter la capacité de charge radiale, le porte-roulement est supprimé et l'espace entre les bagues est rempli d'autant de billes que possible : on parle alors de roulement à billes à complément complet. L'usure de ces roulements est supérieure à celle des roulements à porte-roulements en raison du frottement entre les éléments roulants adjacents.
Dans les applications critiques où le faux-rond de l'arbre est un problème — par exemple, les broches de machines-outils —, les roulements peuvent être préchargés pour compenser tout jeu dans l'ensemble de roulements déjà très précis.