シャープペンシルには最上部に替え芯補充口の蓋を兼ねた押す部分（ノックボタン）があり、これを押すことにより、下側先端より芯が1mm弱程度繰り出される。この蓋をとると、消しゴム、さらに芯を入れるパイプがあることがわかる。この消しゴムは芯を入れるパイプの栓の役目も兼ねている。ただし現在では、持った時に人差し指に当たる部分にボタンがついている、サイドノック式と呼ばれる物や、振ることで芯が出せるタイプ（詳細は後述）などもある。過去には三菱鉛筆の製図用シャープペンシルのハイエンド機種、Hi-Uniシリーズ（現在は廃番）の上位モデルが、FF-maticと呼ばれるグリップの下の指先に当たる部分でノックできる方式を採用していたが構造上故障が多く、現在この機構を搭載したシャープペンシルは生産されていない。
下側には芯を一定量出す為のチャックリングと芯を固定する為の金属、若しくは樹脂で構成されたチャックがある。口金内部にはチャック開放時に芯を止めるためのパッキンが付いているものが多い。
現在主流となっているノック式の発明以前は、芯を固定する内側のパイプに螺旋状の溝を彫り、ねじの回転により芯を繰り出す回転式の機構を用いていたため、芯の太さを0.9mmよりも細くすることが困難だった。
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芯は鉛筆と同じように硬さの種類を表す記号がJIS（日本工業規格）で定められており、6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9Hに準拠するものでがあるが、これにさらに芯の直径を選ぶことができる。直径はそのシャープペンシル本体にあったものを使用しなければならない。芯の直径は0.2mm、0.3mm、0.4mm、0.5mm、0.7mm、0.9mm等があるが、日本では0.5mmのものが最も多く使われており、芯の種類が最も多い。製図の場合、0.3mmと0.5mmのほかに0.7mm、0.9mmなども使用することがある（なお海外では 0.3mm、0.9mm をそれぞれ実際の直径により近い 0.35mm、1.0mm で表記するメーカーも多い）。材料を成型して焼く焼成芯と、材料を油成分などで固める非焼成芯がある。