DF21型机车是采用交—直流电传动方式、C0- C0轴式、双司机室（装有司机室空调）、内走廊整体承载式米轨机车。其常用最高速度为60km/h，通过最小曲线半径为70m，整备重量84×（1±3%）t，轴重14×（1±3%）t，外形尺寸：16000×3020×3865mm。
动力装置采用了CAT3512B型柴油机，其装车功率为1455kW，是由ZQF-408E型起动发电机通过NM-360型阀控密封式铅酸蓄电池提供电源作电动机运行来起动柴油机，在柴油机起动后作发电机运行为机车提供110V的直流电源。
主传动装置是采用JF219A型无刷励磁同步发电机与ZD-126型滚动轴承抱轴的轴悬式半悬挂方式牵引电动机。
辅助传动系统采用交、直流电传动方式。
控制系统采用PLC控制装置对机车进行完全控制。
转向架采用Co-Co结构的自导向径向转向架。
机车的制动系统是采用了JZ-7C型空气制动机与动力电阻制动装置两套制动系统。
机车标称功率：1110kW
传动方式：交—直电传动
轴列式：Co-Co径向
轮径： 915mm
整备重量：84×（1±3%）t
轴重：14×（1±3%）t
速度（动轮直径按半磨耗计算为880mm）
最高试验速度：80km/h
最高运用速度：60km/h
持续速度：15.3km/h（电机持续电流限制） 轮周牵引力（动轮直径按半磨耗计算为880mm）
起动牵引力：408.6kN（电机起动电流限制） 268.9kN（受粘着限制）
持续牵引力：247kN（电机持续电流限制）
通过最小曲线半径：70m
牵引齿轮传动比: 4.76581/17
燃油装载量：3000L
车钩中心高度： 820 mm
机车长度：16000mm
两转向架中心距：7200mm
转向架轴距：2×1650mm
紧急制动距离：600m（初速度为60km/h时）