東風4D客運內燃機車是在東風4B型和東風4C型內燃機車基礎上發展起來的新壹代提速客運內燃機車。機車采用內走廊格柵車體，兩端司機室交直流驅動。軸型為C0-C0，軸重23t，最高運行速度132km/h..
機車上部結構依次分為I司機室、電氣司機室、傳動司機室、動力司機室、冷卻司機室、輔助司機室和II司機室七個部分。
機車車體為全焊接鋼結構，內走廊側墻承重。
機車采用JZ-7型空氣制動機。
為了滿足提速運行的需要，牽引電機采用帶滾動軸承的軸懸掛裝置。
2、機車動力裝置
東風4D機車配備16V240ZJD型柴油機。
3、機車電力驅動
與東風4B型和東風4C型機車相比，東風4D型機車電傳動的主要特點如下:
(1)東風4D機車柴油機最大工作功率提高到2940kW，相應地東風4D機車標稱功率提高到2425kW，分別提高了22.5%和12.2%。
(2)為適應機車功率的提高，擴大機車恒功率調速範圍，東風。D型機車配備了永濟廠專門研制的TQFR-3000E交流同步主發電機和ZD109B DC牽引電機。
(3)牽引電機勵磁率(磁場削弱)由B、C機車兩級改為壹級。客運機車勵磁率66%；貨運機車勵磁率為60%；調車機車勵磁率為765438±0%。
(4)客運機車牽引齒輪傳動比為68/24，持續牽引力為214.8kN，持續速度為39km/h，恒功率機車最高速度可達145km/h..貨運機車牽引齒輪傳動比63/14，持續牽引341.15kN，持續速度24.5km/h，恒功率最高速度92km/h。
(5)電阻制動狀態下有兩級電阻制動，最大制動電流為650A，最大勵磁電流為740A。
(6)牽引整流器改為GTF5100/1250，額定DC輸出電流5070A，額定DC輸出電壓1250V。
(7)安裝兩臺ZTP-22油泵電機，功率2.2kW，轉速3000r/min。機車起動機油泵工作狀態下，兩臺電機同時工作；在預熱鍋爐的情況下，其中壹臺電機作為輔助油泵工作。(8)為了便於機車在不啟動柴油機的情況下移動，增加了壹個動車插座8CZ。當接通地面電源時，機車可以自行移動。
(9)增加了阻力制動裝置，機車可以進行自載試驗，可以方便地檢測各種速度下柴油機的功率。
4.機車運行部
與東風4B和東風4C型機車相比，東風4D客運機車走行部具有以下主要特點:
(1)轉向架二系懸掛裝置配有四個橡膠樁旁承和兩個橫向減振器。橡膠樁旁承的豎向撓度為15mm。在轉向架和車體之間安裝了從荷蘭進口的防蛇行減振器，以提高機車運行的平穩性和機車的臨界速度。
(2)牽引電機采用滾動軸承軸箱，左右兩個滾動軸承為圓錐滾子軸承。使用8個M36x3螺栓連接滾動軸箱和牽引電機。滾動軸箱相對輪對的橫向動量調整為0.05-0.18毫米。
5.車身
機車車體的主要特點是:
(1)機車采用框架式側墻承載車體。主要由上駕駛室、側墻、頂棚、隔墻、下底架、下端架、障礙物消除器和牽引緩沖裝置組成。六塊隔板將車體分成七個工作間:依次為I駕駛室、電氣室、傳動室、動力室、冷卻室、輔助室、II駕駛室。除駕駛室外，每個房間的頂部都有壹個2350毫米寬的開口，用於吊裝每個房間內的單元和設備。每個開口都覆蓋有可移動的頂蓋。鋼結構的主要承重梁、桿、板采用高強度16Mn低合金鋼。車體的側墻、隔墻、頂棚都與東風相連。C型機車的結構基本相同。
(2)車體底架主要由兩側梁、前後端、前後側承重梁、柴油發電機組座梁組成。側梁焊接成箱形梁，高360mn，槽鋼，厚10mm。
(3)駕駛室外觀與東風4c型機車相同。司機室配備空調、冰箱、半自動遮陽簾、高舒適度座椅、新型可調照明、頂吹風扇等設備，形成舒適、便捷、安全的工作環境。
6、機車輔助系統
機車系統包括輔助傳動系統、燃油系統、機油系統、冷卻水系統、預熱系統、照明系統、充電系統、機車控制系統、空氣制動系統、檢測、診斷和顯示系統等。這些系統大多與東風4B型機車相似。
7、機車保護裝置
(1)機車保護裝置(行車安全監控設備)是利用計算機技術對鐵路行車進行監控，確保行車安全的電子裝置和氣體捕集裝置。機車運行時，該裝置引入行車速度、列車制動等行車參數和線路坡度、信號顯示狀態、信號間距離等線路參數。通過綜合分析，計算出允許的運行速度和隨時應采取的措施，以保證列車能充分發揮其運行效率，防止機車超速，保證機車在紅色信號燈處能停車。
(2)東風4D機車行車安全監控設備包括KJ-93A列車運行監控記錄裝置和JS (JT1)數字式通用機車信號系統(含JX1-8八燈顯示機車信號)。機車速度系統(包括DF-16光電速度傳感器、EGZ3/8雙針速度表和EGS3/8雙針速度表)和機車制動系統(包括JH-6常用制動繼電器箱、CZF 1/8.3電空閥組、壓力傳感器和緊急制動電空閥)。
(3)行車安全監控設備的工作系統還包括機車上的原有設備(如牽引和制動轉換開關、前進和後退轉換開關、柴油機轉速顯示器、列車制動裝置和機車運行速度顯示器等。)、車載設備(行車監控主機箱及顯示器、信號主機箱及顯示器、信號接收線圈、機車常用制動繼電器盒等。)和轉儲設備(轉儲箱、轉錄電源和電纜等。).