การออกแบบแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกเป็นสาขาวิศวกรรมที่ซับซ้อน ซึ่งเปลี่ยนแบบชิ้นส่วนให้กลายเป็นระบบการผลิตที่ใช้งานได้ โดยสามารถผลิตชิ้นส่วนคุณภาพสูงอย่างสม่ำเสมอและมีประสิทธิภาพ กระบวนการเริ่มต้นด้วยการวิเคราะห์รูปทรงเรขาคณิตของชิ้นส่วนอย่างละเอียด เพื่อระบุลักษณะเฉพาะที่ต้องการการทำงานพิเศษของแม่พิมพ์ เช่น คอร์ด้านข้างสำหรับร่องเว้า ลิฟเตอร์สำหรับเกลียวภายใน หรือคอร์ที่ยุบตัวได้สำหรับร่องเว้าลึก นักออกแบบแม่พิมพ์จะเลือกฐานแม่พิมพ์มาตรฐานที่องค์กรต่างๆ เช่น DME หรือ HASCO กำหนด จากนั้นจึงออกแบบชิ้นส่วนโพรง (cavity) และแกน (core) แบบเฉพาะที่กำหนดรูปร่างของชิ้นงาน การออกแบบระบบป้อนวัสดุรวมถึงทางนำ (runners), ช่องป้อน (gates), และปลั๊กป้อน (sprue bushings) โดยสามารถเลือกระหว่างทางนำเย็น (ที่แข็งตัวทุกครั้งที่ขึ้นรูป) กับทางนำร้อน (ที่คงสภาพวัสดุไว้ในสถานะหลอมเหลว) การออกแบบระบบระบายความร้อนมีความสำคัญไม่แพ้กัน โดยมีช่องระบายความร้อนวางตำแหน่งอย่างเหมาะสมเพื่อให้การถ่ายเทความร้อนอย่างสม่ำเสมอ ลดระยะเวลาไซเคิล และป้องกันการบิดงอของชิ้นงาน การออกแบบระบบดันชิ้นงานออกประกอบด้วยหมุดดัน เปลือกหุ้ม ใบมีด และแผ่นดัน ซึ่งจัดวางตำแหน่งให้แรงดันเพียงพอโดยไม่ทำลายชิ้นงาน การออกแบบช่องระบายอากาศช่วยป้องกันการสะสมของอากาศที่อาจทำให้เกิดการไหม้หรือการเติมวัสดุไม่เต็ม ในขณะที่องค์ประกอบการจัดแนว เช่น หมุดนำทางและตัวล็อก จะรักษาการจัดแนวของโพรงแม่พิมพ์ให้แม่นยำตลอดรอบการขึ้นรูป การเลือกวัสดุสำหรับชิ้นส่วนแม่พิมพ์ต้องคำนึงถึงความต้านทานการสึกหรอ ความสามารถในการขัดเงา การนำความร้อน และต้นทุน โดยเลือกได้ตั้งแต่เหล็กที่ผ่านการอบแข็งเบื้องต้นสำหรับงานผลิตระดับปานกลาง ไปจนถึงเหล็กเครื่องมือที่ผ่านการอบแข็งสำหรับงานผลิตจำนวนมาก ปัจจุบันการออกแบบแม่พิมพ์ใช้ซอฟต์แวร์ CAD/CAE อย่างแพร่หลาย สำหรับการสร้างโมเดล 3 มิติ การจำลองการไหล การวิเคราะห์ระบบระบายความร้อน และการตรวจสอบความแข็งแรงของโครงสร้าง นอกจากนี้ กระบวนการออกแบบยังต้องคำนึงถึงความต้องการในการบำรุงรักษา โดยรวมชิ้นส่วนที่สึกหรอซึ่งเปลี่ยนได้ง่าย และท่อน้ำที่เข้าถึงได้สะดวก การออกแบบแม่พิมพ์ฉีดพลาสติกที่ประสบความสำเร็จจะให้ระบบการผลิตที่ทนทาน ผลิตชิ้นส่วนที่มีขนาดคงที่ มีของเสียน้อยที่สุด และทำงานได้อย่างเชื่อถือได้ตลอดหลายแสนรอบ