科学仪器是“新视野号”的“眼睛”。“新视野号”携带了7台重30千克的科学仪器。其中光学设备有3台。分别是：远程勘测成像仪（LORRI）、可见-红外成像光谱仪（Ralph）、紫外成像光谱仪（Alice），分别拍摄可见光、红外和紫外图片。另外4台仪器分别是：太阳风测量仪（SWAP）、无线电科学实验仪（REX）、能量粒子谱仪（PEPSSI）、学生尘埃计数器（SDC），分别用于测量冥王星附近和表面的太阳风、大气、能量粒子和尘埃。
（1）可见-红外成像光谱仪（Ralph）: 拍摄冥王星及卡戎的表面地形，提供高清晰影像照片，分析表面物理现象和物质组成，绘制地形图，了解冥王星及卡戎的历史。仪器分为两部份，一为多光谱可见光相机（MVIC），另一为红外光谱仪（LEISA），两者共同使用一个6厘米镜头，用以调校焦距，收集影像。
可见光相机使用电荷藕合装置（CCD），是近年所有外太空探测器的标准设备。天体目标的影像通过镜头后，再经过四层滤镜，在电荷藕合器成像。滤镜分别包括一般用途的蓝、绿、及近红外滤镜，以及专用于观测甲烷的滤镜。
红外光谱仪测量热辐射光谱，获得物质组成信息。根据哈勃望远镜的观测结果，冥王星表面以甲烷、氮、一氧化碳及冰为主，而卡戎则主要由冰组成。当探测器接近它们时，透过红外光谱仪观察，可能会发现更多的其他物质。
（2）远程勘测成像仪（LORRI）: 有一个直径20.8厘米的镜头，同样以CCD成像，但没有滤镜和活动部件，结构比Ralph简单得多。目的是为探测器提供详细的空间信息，即探测器在飞行途中的精确位置。通过观测特定星体，比较观测资料，得出探测器在途中某一点的精确位置及相位，从而控制探测器进行相应的轨道调整。当飞临冥王星时，远程勘测成像仪同时拍摄冥王星表面影像，分辨率大致相当于标准足球场面积。
（3）紫外成像光谱仪（Alice）:测量由冥王星及卡戎辐射或反射的紫外线，获得不同波长的图像，研究它们的大气成分、表面物质组成和温度。紫外成像光谱仪有两种工作模式：1）气体辉光探测模式，当探测器接近及离开冥王星时采用这种模式，目的是直接测量由冥王星及卡戎的大气辐射或反射的紫外线，大多数时间采用这种工作模式。2）掩星测量模式，当探测器飞越冥王星之后，进入冥王星日蚀阴影区时，即被冥王星星体遮掩太阳光的地方，通过测量透过冥王星大气的太阳光，获得冥王星大气的成份、浓度和温度分布。
（4）太阳风测量仪（SWAP）：主要用于测量冥王星附近的太阳风特性，分析从冥王星大气中逃逸出来的物质和逃逸速率，寻找冥王星周围的磁层。仪器内部有一个低能等离子体探测器，测量范围为30～7700电子伏。
（5）无线电科学实验仪（REX）：当“新视野号”位于冥王星的背面时，地球上的控制人员开始向冥王星发射无线电波。由于无线电信号在穿越冥王星大气层时会产生一定的折射、畸变和时延，那些穿过冥王星大气层的无线电波被飞船上的2.1米直径高增益天线接收后，无线电科学实验仪就会比较穿越冥王星大气前后的信号特征，分析出大气中气体分子的成分、密度、温度及大气结构，绘制冥王星大气层从高空到表面的温度和密度曲线。
当探测器近距离飞掠冥王星时，无线电科学实验仪可以切换到辐射探测模式，直接测量冥王星发射的微弱的微波辐射，精确测量冥王星向阳面和背阴面之间的温度变化。
（6）能量粒子谱仪（PEPSSI）：该仪器由带电粒子探测器组成，可以测量质子、离子、电子等带电粒子的成分和密度等特性。通过探测大气层顶部的中性粒子被太阳风激活而逃离大气层的现象，推算大气化学成份。
（7）学生尘埃计数器（SDC）：由科罗拉多大学的学生在专业航天人员的指导下制造的，主要用于测量整个飞行过程中星际尘埃粒子对“新视野号”的撞击情况，包括粒子的大小、数量、撞击飞船时的方向和飞行轨迹等。这些尘埃粒子主要来自从彗星逃逸的物质和柯伊伯带天体相互碰撞产生的残片。
有了这些慧眼，新视野号飞船看到的冥王星将不再像从地球上看到的冥王星那样雾里看花，而是要“把这纷扰的世界，看个清清楚楚，明明白白，真真切切。”