8K型电力机车是双节重联的八轴干线货运用大功率电力机车，适用于供电制式为25千伏工频单相交流电的电气化铁路，机车轴式2×（Bo-Bo）。每组机车由两节完全相同的四轴机车通过中间车钩和橡胶联挂风挡连接而成，每节车为一个完整系统，设有一个司机室，可由司机在任何一端司机室对机车进行控制，两节机车也可以分离作为两台四轴机车独立运行。两节机车之间设有内部电气重联控制电缆和空气制动系统的重联控制风管，并有中间走廊连通，车顶设有25千伏高压连接线。机车持续功率为6400千瓦，最高速度100公里/小时。
每节机车车体包括了司机室、中央室、车顶和连接通道四个主要部分，司机室后中央机械室为贯通式双走廊，车体采用侧墙与底架联合承载的非对称框架式结构。中央室内靠近司机室部分设有蓄电池柜、牵引电动机通风机、自动信号装置等设备；中央部分设有高度集成化的中央电器柜，机车主整流器、高压和低压电器装置、控制逻辑装置、冷却系统均集中在电器柜内；而机车尾部设有牵引电动机通风机、空气压缩机等设备。每节机车司机室之后车顶装一台单臂受电弓；机车内最重的主变压器被安装在车体底架下面而不是在车体里面，以降低机车的总重心并缩短了与中央电器柜之间的线缆长度。 每节机车的走行部为两台二轴转向架，采用由碳钢板焊接而成的H型构架转向架，以方便更换牵引电动机。一系悬挂采用轴箱螺旋弹簧与弹性连杆的独立悬挂结构；二系悬挂采用免维护的橡胶堆支承。机车牵引力与制动力通过中央低位斜拉杆推挽式牵引装置传递，机车牵引点在轨道平面上，具有动力学稳定性好、粘着利用率高的优点。
转向架中的车轴均为动轴，每台转向架装有两台TAO649D型牵引电动机 ，为六极串励脉流电动机，持续功率1000千瓦，实际使用功率被限制在800千瓦。牵引电机沿用与法国国铁BB 15000型机车相同的滚动轴承抱轴悬挂结构、单边直齿传动，牵引齿轮传动比为69：17，但由于中国与法国铁路钢轨连接方式不同，牵引电机在机车运行时承受较大的振动，导致抱轴箱体较常出现疲劳裂损。 8K型电力机车采用交—直流电传动方式，机车主电路沿用法国相控电力机车传统的两段串联相控整流桥调压方式，由一段半控整流桥和一段全控整流桥组成，并采用晶闸管调节的牵引电机无级磁场削弱电路，具有电路简单、硅元件数量少的优点。牵引时向转向架上两台牵引电动机串联供电，而使用再生制动时全控挢变为逆变装置，半控桥作为励磁电源装置 ；但牵引电机串联供电却有粘着能力较差的缺点 ，发生空转后粘着再恢复能力较低，因此8K型机车设有先进的防空转防滑行系统，通过检测轮周速度差异进行电机减载来校正牵引力。相比调压开关调压电力机车，晶闸管相控电力机车的功率因数相对较低，因此8K型电力机车设有大容量3、5次谐波滤波器的功率因数补偿装置，机车在50～100%功率范围内功率因数均可大于0.9，以提高电气化线路的总效率。
机车辅助电路采用瑞士勃朗-包维利公司（BBC）提供的GTO辅助逆变器，取代了旋转式劈相机向机车辅助机械供电，功率容量为50kVA。然而该套系统可靠性较差，自8K型电力机车投入运营以来其GTO辅助逆变器机组几乎每天有烧损故障发生，严重影响列车的安全可靠运行。因此，研制8K型机车用IGBT辅助逆变器替代GTO辅助逆变器的课题于1997年初被列为中国铁道部科研计划项目，由北京交通大学电气工程学院负责研制。IGBT辅助逆变器于1996年10月初开始装车试运行，后因故障多未推广使用，而是由本段科技开发科自行研制的IPM逆变器1998年5月装车试运行，后扩大推广至成功使用。 8K型机车采用了瑞士勃朗-包维利公司（BBC）的电子控制系统，对每一个转向架独立供电的相控整流桥进行独立控制，并设有故障自动检测装置，具有较高可靠性。
在150台8K型电力机车之中，有两台机车（135、136）试验安装了BBC公司的MICAS（Micro-Computer Automation System）微机控制系统，采用了微机来控制机车的牵引、制动、防空转及故障保护等功能 。微机系统采用一个16位英特尔80186中央处理器计算机车控制特性，一个16位8097微控制器控制晶闸管触发，另一个8位8031微控制器负责管理前两者之间的通讯，均为当时国际上最新型的处理器和微控制器产品。然而为了保证与其他8K型机车的设备互换性，这两台机车的微机控制功能及输入、输出信号都要与模拟控制相同，导致微机控制的优势未能充分发挥，并未具备更重要的故障诊断、记忆和显示功能。与同期日本进口6K型机车的微机系统相比，8K型机车MICAS系统虽然硬件上较先进，但功能上并不比6K型机车全面，因此MICAS系统较适合用于既有机车的改造，取代模拟控制。1991年，株洲电力机车厂在MICAS系统系统基础上，为韶山4型电力机车设计了微机控制系统并进行了试验，成为国产电力机车微机系统的开端。
