La formule optique de ces télescopes est celle de Ritchey-Chrétien, sur une monture azimutale. Ils possèdent des miroirs de 10 mètres de diamètre segmentés en 36 plus petits miroirs hexagonaux, qui leur sont particuliers. Et tout comme le Very Large Telescope (VLT), les télescopes disposent d'un système d'optique active qui permet de cophaser tous les segments afin de ne former qu'une seule pupille de 10 m au foyer.
En outre, Keck I et II peuvent fonctionner ensemble, par l'intermédiaire de l'interférométrie optique. Ceci leur donne une résolution angulaire équivalente à celle d'un miroir de 85 m. Cela devrait en théorie permettre aux deux télescopes de distinguer une flamme de bougie sur la surface de la Lune.