DF21型機車是采用交—直流電傳動方式、C0- C0軸式、雙司機室（裝有司機室空調）、內走廊整體承載式米軌機車。其常用最高速度為60km/h
，通過最小曲線半徑為70m
，整備重量84×（1±3%）t，軸重14×（1±3%）t
，外形尺寸：16000×3020×3865mm。    

動力裝置采用了CAT3512B型柴油機，其裝車功率為1455kW
，是由ZQF-408E型起動發電機通過NM-360型閥控密封式鉛酸蓄電池提供電源作電動機運行來起動柴油機

，在柴油機起動後作發電機運行為機車提供110V的直流電源。    

主傳動裝置是采用JF219A型無刷勵磁同步發電機與ZD-126型滾動軸承抱軸的軸懸式半懸掛方式牽引電動機。 

輔助傳動係統采用交、直流電傳動方式。    

控製係統采用PLC控製裝置對機車進行完全控製。    

轉向架采用Co-Co結構的自導向徑向轉向架。    

機車的製動係統是采用了JZ-7C型空氣製動機與動力電阻製動裝置兩套製動係統。

 機車標稱功率：1110kW
傳動方式：交—直電傳動  
軸列式：Co-Co徑向  
輪徑： 915mm  
整備重量：84×（1±3%）t  
軸重：14×（1±3%）t  
速度（動輪直徑按半磨耗計算為880mm）  
最高試驗速度：80km/h  
最高運用速度：60km/h  
持續速度：15.3km/h（電機持續電流限製）  輪周牽引力（動輪直徑按半磨耗計算為880mm）  
起動牽引力：408.6kN（電機起動電流限製） 268.9kN（受粘著限製）  
持續牽引力：247kN（電機持續電流限製）  
通過最小曲線半徑：70m  
牽引齒輪傳動比:  4.76581/17  
燃油裝載量：3000L  
車鉤中心高度： 820 mm  
機車長度：16000mm  
兩轉向架中心距：7200mm  
轉向架軸距：2×1650mm  
緊急製動距離：600m（初速度為60km/h時）