東風4C型機車是在東風4B型機車基礎上研制的幹線貨運用交—直流電傳動柴油機車，主要零部件與東風4B型機車具有良好的通用互換性，車體、走行部分、制動系統均與東風4B型機車基本相同。車體為全鋼焊接的框架式側墻承載結構，兩端設有同等功能的司機室，可雙向操縱機車。車體總體布置與東風4B型機車有所變化，內部增加壹個隔室，降低了Ⅱ端司機室的噪音。首兩臺機車（4001、4002）沿用與東風4B型機車相同車體外觀，整車采用圓弧過渡；從第三臺機車（4003）開始，重新設計了機車外形，變得棱角分明，並加大了司機室前窗玻璃。
機車軸式Co-Co，走行部為兩臺無導框三軸轉向架，壹系懸掛為軸箱圓彈簧並帶有液壓減震器，二系懸掛為橡膠堆；牽引電機采用軸懸式懸掛（滑動抱軸承式半懸掛），牽引裝置為低位四連桿機構。機車使用JZ-7型空氣制動機，可以單獨制動機車或同時制動機車和列車，另外並裝有電阻制動裝置及重聯功能。東風4C型機車也改進了機車冷卻系統，將強化銅散熱器數量由東風4B型的56組減至44組，並改善了機油系統管道布置，從而使機車的重量分配更趨合理。機車標稱功率2165千瓦，最大速度100公裏/小時。 東風4C型機車裝用壹臺16氣缸、四沖程、帶廢氣渦輪增壓的16V240ZJC型直噴柴油機，與東風4B型機車裝用的16V240ZJB型柴油機相比，兩者結構基本相同，但C型柴油機安裝了經改進的曲軸、連桿、氣缸套、機油泵、水泵等部件，通過將平均有效壓力提高到1.77MPa，使其標定功率由3600馬力（2650千瓦）提高到4000馬力（2940千瓦），裝車功率由3300馬力（2430千瓦）提高到3600馬力（2650千瓦）。標定功率燃油消耗率比16V240ZJB型柴油機有所降低。
在研制東風4C型機車的16V240ZJC型柴油機時，尚無新型增壓器可使用，首兩臺機車出廠時仍裝用大連內燃機車研究所研制的原裝增壓器產品，但增壓器喘振、漏油嚴重。因此從第三臺機車開始，裝用了引進瑞士勃朗-包維利股份公司（BBC）專利生產的VTC254-13型增壓器，或其仿制品ZN290型增壓器，增壓比由原來東風4B型機車的增壓器的2.3提高到3.35。 機車采用交—直流電傳動，柴油機直接驅動壹臺TQFR-3000B型三相交流同步牽引發電機，采用ZD109（ZQDR-410C）型四極串勵直流牽引電動機，取代了東風4B型機車的ZQDR-410型牽引電機，單臺額定功率由410千瓦提高到480千瓦。勵磁系統加裝了電子恒功率勵磁裝置，令牽引發電機在柴油機全部工作轉速範圍內都具有恒功率調節作用。機車恒功範圍有所擴大，恒功率速度範圍由東風4B型的21.6～73.1公裏/小時，提高至23.7～90.6公裏/小時。