Reprenant le puits de tourelle du T-54, la tourelle 2A10 pivote sur 360°. Elle abrite quatre canons modèle 2A7 de 23 mm. Pour maintenir une haute cadence de tir, ces armes sont modernisées via un refroidissement par eau. La cadence de tir d'un tube varie entre 850 et 1000 coups par minute, ce qui porte l'armement cumulé à un volume de feu de 3400 à 4000 coups par minute. Les canons de l'affût quadruple peuvent pointer de -4° à +85°.

Une plaque de blindage protège les trois hommes logés dans la tourelle des gaz et autres projections consécutives au tir. L'ensemble est stabilisé afin de permettre l'ouverture du feu en roulant, mais à 25 km/h la précision est réduite de 50%. Mesurant 152 mm de long, la munition de 23 mm a une portée horizontale maximale de 7200m et de 5100m en vertical. Toutefois, la distance de combat se limite à, respectivement, 2500m et 1500m.

La tourelle est susceptible de suivre une cible se déplaçant à 250 m/s. Par la suite, avec de nouveaux équipements de poursuite, cette valeur sera augmenté à 500 m/s.

Sur les premiers modèles, la dotation en munitions s'élève à 2000 coups. L'affût est alimenté par des bandes de 50 projectiles. En fonction de la situation, l'opérateur peut sélectionner des rafales de 5,10 ou 50 coups. Ces bandes comprennent généralement 40 obus explosifs brisant OFZT et 10 obus perforants incendiaires BZT. Ces derniers peuvent transpercer 15 mm d'acier à 100 m sous une incidence de 30° et 25 mm de blindage non incliné à 400 m.

Afin de traiter les cibles terrestres, des munitions perforantes spécifiques capables de percer 30 mm de blindage incliné à 30°. Le poids des projectiles ( 190 gr ) est néanmoins jugé insuffisant pour espérer arrêter les missiles de croisière, et un obus composite est ainsi développé à cette fin de manière à prolonger la carrière opérationnelle du Shilka.

Sur les premiers modèles de canons de 23 mm, le refroidissement par eau s'est avéré défectueux, au point que la chaleur des tirs se propageait aux bandes de munitions, entraînant un départ intempestif des amorces, alors que le servant n'avait pas appuyé sur la détente. Des consignes vont donc être données pour ne pas dépasser les 15 coups continus. Ce n'est qu'avec le ZSU-23-4M4, apparu en 1999, que le problème sera définitivement résolu.