Вооружение состоит из 76,2-мм пушки Д-56Т с многощелевым реактивным тормозом и спаренного с ней 7,62-мм пулемета СГМТ. В 1957 г. орудие Д-56Т было заменено на Д-56ТМ (2А16) с двухкамерным активным дульным тормозом. Оба типа дульного тормоза оказались настолько эффективными, что позволяли вести огонь на плаву. На модификации ПТ-76Б установили пушку Д-56ТС, стабилизированную в двух плоскостях. Максимальная прицельная дальность стрельбы этой пушки 4000 м, наибольшая дальность стрельбы 12100 м. Несмотря на свой возраст, Д-56Т и сейчас остается довольно мощным и точным орудием, в особенности на близких дистанциях. Американские эксперты оценивают вероятность поражения неподвижной боевой машины с первого выстрела, произведенного из стоящего ПТ-76, на 500 м — 83–86 %, а на 1 000 м — 61–68 % (в зависимости от типа боеприпаса). ПТ-76 может «завалить» даже танк типа М60А1 с вероятностью 33 %, а САУ типа М109 или БТР МПЗ — с вероятностью 50 %. Эти цифры получены путем экспериментальных исследований захваченных машин на полигонах армии США.
На ПТ-76Б пулеметы СГМТ уступили место ПКТ, впоследствии пулеметы заменялись и на более ранних машинах. Для самообороны экипажа в укладке имеется автомат АК-47 (на машинах поздних выпусков АКМ) и 15 гранат Ф-1. В башне также расположены прицельные приспособления и приборы наблюдения, радиостанция и часть боекомплекта. В боевом отделении находятся места заряжающего (справа от пушки) и командира, являющегося также наводчиком (слева от пушки). Командир танка имеет прибор наблюдения ТПКУ-1 с пятикратным увеличением (на ПТ-76Б ТПКУ-2) и два призменных перископа ТНП. Заряжающий располагает призменным перископическим прибором МК-4. В башне устанавливалась коротковолновая радиостанция 10-РТ-26Э, которая с 1957 г. заменялась на Р-113. В дополнение к Р-113 на командирских машинах была также смонтирована КВ-радиостанция Р-112. Для внутренней связи использовалось танковое переговорное устройство на три абонента.
В кормовой части корпуса продольно установлен четырехтактный шестицилиндровый быстроходный дизель В-6, который через двухдисковый главный фрикцион соединялся с пятискоростной коробкой передач, заимствованной от танка Т-34. Еще в 1940 г. на базе двигателя В-2 был создан 6-цилиндровый дизель В-4 мощностью 300 л.с. для легкого танка Т-50. Этот двигатель и стал предшественником и прототипом В-6. В-6, по сути, представляет собой половину двигателя типа В-54, за что в армии он часто называется просто «полутанковый». Он развивает мощность 240 л.с. при 1800 об/мин.