Основным вооружением ИСУ-152 являлась 152-мм гаубица-пушка МЛ-20С обр. 1937/43 гг. (Индекс ГАУ — 52-ПС-544С). Орудие монтировалось в рамке на лобовой бронеплите рубки и имело вертикальные углы наводки от −3 до +20°, сектор горизонтальной наводки составлял 10°. Высота линии огня составляла 1,8 м; дальность прямого выстрела — 800—900 м по цели высотой 2,5—3 м, дальность выстрела прямой наводкой — 3800 м, наибольшая дальность стрельбы — 6200 м. Выстрел производился посредством электрического или ручного механического спуска.
Боекомплект орудия составлял 21 выстрел раздельного заряжания.