Walther P99 AS działa na zasadzie krótkiego odrzutu lufy, zamek ryglowany przez przekoszenie lufy w płaszczyźnie pionowej w systemie Browning-Petter. W pistolecie zastosowano mechanizm spustowy z samonapinaniem typu Double Action.
Mechanizm uderzeniowy bezkurkowy, ze sprężyną uderzeniową działającą bezpośrednio na iglicę. P99 nie posiada zewnętrznych bezpieczników. Po wystrzeleniu ostatniego naboju zamek zostaje w tylnym położeniu.