ND2型柴油机车是直流电传动六轴干线客运用内燃机车。机车车体为非承载式结构，车体主要部件为型钢板焊接结构；车体两端各有一司机室，中央为动力室，两端司机室由车体内的两侧走廊连通。机车轴式Co-Co，机车构造速度为120公里/小时。机车两端设有重联插座，容许多节机车重联运行。
机车装用一台苏尔寿公司的12气缸、并列式、四冲程12LDA28B型柴油机，缸径280毫米、行程320毫米，并带有涡轮增压器，标定功率2300马力（1690千瓦），装车功率2100马力（1540千瓦）。机车采用直—直流电传动方式，由柴油机经传动齿轮直接带动一台直流牵引发电机，向转向架上的六台直流牵引电动机供电，并通过传动齿轮驱动车轮。
机车走行部为两台三轴转向架，与060 DA型机车基本相同，是在Ae 6/6型电力机车转向架结构基础上简化而成。转向架构架采用型钢焊接结构，轴箱采用导框式定位，一系悬挂为轴箱螺旋弹簧、二系悬挂为钢板弹簧，每个转向设有四个旁承，牵引力通过焊接在车体构架横梁上的牵引销座传递。两个转向架之间沿用了Ae 6/6型机车的弹性交叉联接装置，减小了转向架通过曲线的冲角，有利于机车通过曲线的性能。每台转向架装用三台牵引电动机，采用抱轴式悬挂，通过单边弹性斜齿轮传动。
机车采用克诺尔型空气制动机，采用双侧闸瓦。在机车速度为100公里/小时时制动距离为700米，120公里/小时时制动距离为950米。制动系统并设有双机重联装置，两台机车能同时缓解或制动。 随着中国开始实行改革开放，铁路运输日趋繁忙，中国铁路旅客列车于1980年代开始扩大编组以应付急剧增长铁路客运量，运行在京沪、京广等铁路干线的部分旅客列车相继将编组扩大到18至20辆。但相对于新型的东风4B型客运柴油机车，ND2型机车显得功率不足，且在高速运行时机车功率下降较大。为满足扩编旅客列车的需要，上海铁路局受铁道部机务局的委托，于1985年分别与铁道部科学研究院机车车辆研究所和大连内燃机车研究所开始了对ND2型机车的综合技术改造，主要对机车的冷却系统、柴油机、增压器、牵引电动机、磁场削弱电路等有关零部件进行了改进，在保证运用可靠的前提下，将柴油机装车功率由原来的2100马力提高到2300马力、扩大恒功率速度范围、提高牵引能力、降低柴油机油耗。铁道部于1987年对铁科院机辆所和大连所的两台改进型机车进行了验收试验，试验结果表明改造后的ND2型机车技术性能指标都达到了合同规定要求，机务部门可视情况选用其中一种改造方案。
