Thiết kế là giai đoạn cốt lõi của quy trình sản xuất, nơi chức năng, hiệu suất, hình dạng, cấu trúc của sản phẩm được cụ thể hóa và thể hiện dưới dạng bản vẽ và mô hình 3D. Nó có nhiều ứng dụng đa dạng, từ phát triển sản phẩm mới, cải tiến sản phẩm hiện có, nâng cao hiệu quả sản xuất, giảm chi phí cho đến đảm bảo chất lượng. Bằng cách sử dụng các công cụ kỹ thuật số như CAD/CAM/CAE, việc thiết kế được thực hiện có tính đến việc lựa chọn vật liệu, thiết kế dung sai, khả năng lắp ráp và gia công. Điều này ảnh hưởng lớn đến chất lượng, năng suất và chi phí của các công đoạn tiếp theo như gia công và lắp ráp, từ đó quyết định khả năng cạnh tranh của toàn bộ sản phẩm. Các phương pháp thiết kế chất lượng như DRBFM và FMEA cũng được áp dụng, đóng vai trò quan trọng trong việc ngăn chặn các vấn đề tiềm ẩn từ trước.