80式坦克的主要武器是一门83式105毫米线膛炮，炮管采用特种冶炼工艺织造及自紧处理，膛压高、初速大、使用寿命长，可发国产和北约同口径的所有弹种。最大仰角为18度，最大俯角达-4.5度。身管中部装有抽气装置，炮管上装有热护套，身管可从防盾口抽出，便于战时抢修。
该炮配用尾翼稳定脱壳穿甲弹、破甲弹和碎甲弹，初速分别为1455、1173.5和731.5米/秒，最大射程分别为6000、8200和9500米，射速为每分钟7发。此外还配用有榴弹。弹药基数为44发。辅助武器为火炮右侧的7.62毫米并列机枪1挺，备弹2250发，装填手门上装有一挺12.7毫米高射机枪，弹药基数为500发。
80式坦克采用的是GM-09型简易火控系统，这是一种光点投射式简易火控系统，该系统包括：带光点注入的炮长瞄准镜、光点驱动器、激光测距机、数字式微型弹道、计算机及控制面板、光点电源、目标角速度和角位移传感器、炮耳轴倾斜传感器以及复合双向控制稳定器等部件。该系统修正弹道的各种参数，有的是通过传感器自动地输入计算机，有的是用人工方式输入计算机。
火炮和炮塔的稳定装置，其高低向为液压式，水平向为电力式。该系统从发现目标到射击击发的全过程约需要10秒，同时具备短停射击活动目标或行进间对付固定目标的能力。
观瞄装置方面，采用了一代或二代微光像增强器观瞄仪。炮长微光夜间瞄准镜与昼间瞄准镜是分置的，车长观察镜为昼夜互换式，驾驶员用的是TDPN-2型驾驶员微光夜视仪。车长发现射击目标后，可以超越炮长调转火炮的方位，并迅速给炮长指示目标。
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