เครือข่ายอวกาศห้วงลึกเป็นการสื่อสารสองทาง (Two-way Communication) โดยคลื่นส่ง (uplink) จะถูกใช้ในการส่งข้อมูลชุดคำสั่ง ส่วนคลื่นรับ (downlink) จะถูกใช้ในการรับข้อมูลโทรมาตร (telemetry) จากยานอวกาศ โดยการทำงานของเครือข่ายสามารถสรุปได้ดังต่อไปนี้

• ข้อมูลโทรมาตร (telemetry): การรับสัญญาณที่ถูกส่งออกมาจากยานอวกาศ ซึ่งแบ่งเป็นสามขึ้นตอนคือ การรับสัญญาณ การคัดกรอง และการส่งผ่านไปยังศูนย์ควบคุม (SFOF)
• ข้อมูลชุดคำสั่ง: การควบคุมยานอวกาศจากระยะไกล
• ระบบติดตามเชิงรังสี (radiometric tracking): การสื่อสารทางเดียวหรือสองทาง ระหว่างสถานีภาคพื้นดินกับยานสำรวจอวกาศ เพื่อทำการวัดและคาดคะเนตำแหน่งและความเร็วของยาน โดยการวัดระยะทางและอาศัยระยะเวลาในการส่งข้อมูลไป-กลับ ส่วนความเร็วคาดคะเนได้จากปรากฏการณ์ด็อพเพลอร์[9]
• เครือข่ายการแทรกสอดระยะไกล (Very Long Baseline Interferometry, VLBI): เป้าหมายเพื่อระบุตำแหน่งที่แน่นอนของวัตถุบนท้องฟ้า เช่น เควซาร์ ดาราจักร หรือดาวฤกษ์อื่นๆ ตำแหน่งของยานอวกาศสามารถระบุโดยอ้างอิงจากวัตถุเหล่านี้มากกว่าการอ้างอิงจากโลก ซึ่งช่วยลดความคลาดเคลื่อนที่เกิดจากการหมุนตัวของโลกและการลดทอนของสัญญาณได้ ซึ่งเทคนิคนี้เรียกว่า Delta Differential One-way Ranging (Delta-DOR) หรือ Delta VLBI[10]
• วิทยาศาสตร์วิทยุ: การรับข้อมูลทางวิทยาศาสตร์จากกระจายของคลื่นวิทยุระหว่างโลกกับยานสำรวจ เมื่อสัญญาณเดินทางเข้าใกล้วัตถุทางดาราศาสตร์จะเกิดการรบกวนขึ้น นักวิทยาศาสตร์สามารถใช้ข้อมูลนี้ในการคาดคะเนลักษณะจำเพาะของวัตถุได้ เช่น ขนาด มวล ความหนาแน่น หรือแม้กระทั่งชั้นบรรยากาศ นอกจากนี้ยังใช้ในการระบุลักษณะของวงแหวนดาวเคราะห์ โคโรนาของดวงอาทิตย์ หรือพลาสมาระหว่างดาวเคราะห์ นอกจากนี้ยังสามารถศึกษาแรงโน้มถ่วงได้ผ่านคลื่นวิทยุนี้ โดยเมื่อยานเคลื่อนที่เข้าใกล้วัตถุขนาดใหญ่ คลื่นวิทยุจะถูกเบี่ยงเบนตามทฤษฎีสัมพัทธภาพทั่วไป
• ดาราศาสตร์วิทยุ: เพื่อศึกษาคลื่นวิทยุที่ปลดปล่อยออกมาจากวัตถุทางดาราศาสตร์ ใช้ในการคาดคะเนลักษณะจำเพาะขององค์ประกอบหรือลักษณะทางกายภาพ
• ดาราศาสตร์เรดาร์: ส่งสัญญาณที่มีความแรงมากที่สุดเท่าที่เป็นไปได้เพื่อศึกษาการสะท้อนกลับของสัญญาณ
• ควบคุมและการติดตามผล: ส่งผ่านข้อมูลแบบเรียลไทม์ไปยังผู้ใช้หรือหน่วยงานต่างๆ ในเครือข่ายอวกาศห้วงลึก