优化总体设计
从衍生发展来看，CH-53K直升机大幅度提升了作战性能，实际上可以看作是一个全新设计的型号。研制过程中，西科斯基公司在一个全新机体结构中集成了一些新技术，以提供更大载重、更远航程和高温、高原性能，同时大大降低了维修和使用成本。
西科斯基公司为了满足海军陆战队提出的运输能力要求，专门为CH-53K直升机换装了复合材料桨叶、全新的T408涡轴发动机和传动系统，从而获得了3倍于CH-53E直升机的升力。据西科斯基公司介绍，这只是通过性能计算获得的结果，如果考虑到实际应用范围，这一数据将达到接近4倍。
CH-53K直升机的所有壳体和桁架都采用碳纤维复合材料，有效地减轻了结构重量。齿轮箱下部的机身采用了钛合金框架，可以直接吊运各种有效载荷。与"超级种马"只能吊运单个载荷不同，CH-53K直升机在机身下设置了3个吊挂位置，可以在一次飞行任务中实现在不同地点投放3种载荷。
与E型相比，CH-53K直升机在保持机舱长度9.14米的基础上，将外部宽度减少了12.7厘米，因此机身看上去略显苗条。研制人员在设计过程中增大了机身两侧的浮筒尺寸，使其内部携带的燃油量相当于E型上的浮筒内油箱与"蝙蝠翼"副油箱之和。据介绍，每个浮筒内都装有两个自密封袋式油箱，可以容纳8700升燃油，使CH-53K直升机的机载燃油总量达到7070千克。
内部机舱宽度增加了30.56厘米，达到2.74米，高度略微增加到1.98米，使得内部空间更大，能够直接装进一辆"悍马"。根据补给任务需要，地勤人员可以容易地移走机舱内的座椅，以便容纳两个463升货盘，从而可以将事先集中打包好的各种军需物资以模块方式快速装机，直接运送至前线。
继S-92验证机等三种直升机后，CH-53K直升机成为西科斯基公司的第四种采用电传飞行控制系统的直升机，引入了具有触觉提示功能的侧杆循环控制器，旨在改善操纵品质，可以在视觉条件逐步变差的条件下，通过采用增强电传操纵模式，提供更好的稳定性和控制能力。此外，该机的另一个明显变化是换装了数字式驾驶舱。
