东风8型机车采用交—直流电传动，机车装用一台16V280ZJ型柴油机直接驱动一台TQFR-3000C型三相交流同步发电机发电，经硅整流柜将交流电转换为直流电，供给6台并联四极串励的ZQDR-410型直流牵引电动机，通过牵引齿轮带动车轮。机车有六根车轴，走行部为两台三轴转向架，轴式为Co-Co，牵引电机采用滑动抱轴承式半悬挂方式。机车轴重23吨，总重138吨，构造速度为100公里/小时，标称功率3700马力（2720千瓦）；机车悬挂系统采用橡胶堆旁承，配置垂向、横向油压减振器；基础制动方式为独立单元制动，并装有电阻制动装置，适合在长大坡道区段运行 。车体为框架式承载结构，两端司机室。
机车装用一台16V280ZJ型四冲程16气缸废气涡轮增压直喷式大功率中速柴油机，为国内首次采用球墨铸铁整体铸造的柴油机机体，而非过往一直采用的铸焊联合结构机体，消除了因机体焊缝疲劳造成板材裂纹的隐患，提高柴油机的可靠性和耐久性。运动件采用42CrMo超高强度合金钢锻坯全纤维挤压成形全加工氮化曲轴，并列式全加工抛物连杆，钢顶铝裙组合活塞。气缸直径280毫米，活塞行程285毫米，并采用VTC254-13型或ZN310-LSA4型涡轮增压器。柴油机标定功率5000马力（3,675千瓦），装车功率4500马力（3,310千瓦），是1980年代中国国内铁路机车用缸径最大的柴油机。
东风8型机车的特点突出表现为功率大、效率高，并能够在环境温度±40℃下正常运行。在平直线路上牵引4,500吨时，运行速度可达80公里/小时。与同类型货运用内燃机车相比，在相同的条件下，可提高运输能力28%左右。机车总效率最高可达34.8%，平均为33.2%，处于同时期同类型机车的国际先进水平。 2000年代起，由于早期生产的东风8型机车已经使用了近二十年，逐步开始老化。为了延续机车寿命，中国铁道部运输局装备部在2006年下半年大修机车议标文件中明确了东风8型机车的系统改造要求，要提高其冷却性能、提高机车的可靠性及零部件的互换性。改造工程于东风8型机车分批返回戚墅堰机车厂进行大修时进行，改造后机车的柴油机、转向架、主发电机及车体等重大部件仍使用原件，而改造部分的部件则尽量采用东风8B型机车的通用零部件。
改造项目主要包括，柴油机油水管路规范化布置以方便检修；司机室安装空调及填充吸音材料和复合多孔铝板；改用东风8B型机车的冷却装置系统，机油热交换器、机油滤清器均改型为东风8B型机车使用的型号；更换新型电气系统，采用电磁接触器替代电空接触器。上述改造有效解决了原有东风8型机车管路互换性差及冷却能力不足等问题。
