Танк имел классическую компоновку с задним расположением моторно-трансмиссионного отделения. Корпус был сварен из броневых катаных листов и имел острую носовую часть и вертикальные борта. Днище для увеличения прочности имело корытообразную форму (редан). Монолитный верхний лобовой лист корпуса имел толщину 120 мм и располагался под углом 60° к вертикали. Толщина брони бортов корпуса составляла 80 мм, крыши и днища корпуса — 30 и 20 мм соответственно. Кормовая часть корпуса была аналогична таковой у Т-44.

Башня — литая, крупногабаритная, с вварной крышей и обратным скосом («заманом») снизу по всему периметру. Толщина ее лобовой части 200 мм. Поворотный механизм башни с электроприводом управлялся с помощью контроллера наводчиком, а с помощью системы командирского управления — командиром.

100-мм пушка Д-10Т была спарена с 7,62-мм пулеметом СГ-43. Углы вертикального наведения пушки — от -5° до + 18°.

Прицел спаренной установки — TШ-20, телескопический, шарнирный. Два пулемета СГ-43 были смонтированы в броневых коробках на надгусеничных полках, неприцельный огонь из них вел механик-водитель. Над люком заряжающего на турели, аналогичной применявшимся на танках ИС-2 и ИС-3, устанавливался 12,7-мм зенитный пулемет ДШК с коллиматорным прицелом К10-Т. Углы вертикального наведения пулемета от -4,5° до +82°. Боекомплект танка включал 34 унитарных 100-мм выстрела (20 — в отделении управления справа от механика-водителя, 14 — в боевом отделении), 200 патронов калибра 12,7 мм и 4500 патронов калибра 7,62 мм.

Приборы наблюдения: командира, наводчика и заряжающего — перископические типа МК-4. Механик-водитель для наблюдения за полем боя располагал двумя приборами МК-4, установленными под углом 165° друг к другу.

На танке устанавливался двигатель В-54 мощностью 520 л.с. Системы силовой установки принципиально такие же, как и на танке Т-44. Отличались наличием регулируемых выходных жалюзи с приводом управления и измененной конструкцией фрикциона вентилятора.

Топливные баки емкостью 520 л располагались в боевом отделении и отделении управления. На надгусеничных полках устанавливались дополнительные баки цилиндрической формы, не подсоединенные к системе питания двигателя. Запас хода танка по топливу составлял 330 км.

Схема трансмиссии аналогична примененной на танке Т-44. Коробка передач — пятиступенчатая, с двумя инерционными синхронизаторами. В качестве механизма поворота были применены двухступенчатые планетарные механизмы, обеспечивавшие получение двух расчетных радиусов поворота. Бортовые передачи — однорядные. Ведущие колеса — литые, со съемными зубчатыми венцами. Зацепление — цевочное.

В ходовой части с каждого борта имелось пять сдвоенных обрезиненных опорных катков. Механизм натяжения — червячного типа. Гусеница мелкозвенчатая, стальная, с открытым шарниром. Ширина гусеницы — 500 мм. Подвеска опорных катков индивидуальная торсионная, в узлах подвески первого и пятого катков каждого борта установлены лопастные гидравлические амортизаторы.

Электрооборудование танка было выполнено по однопроводной схеме, напряжение 24 В, четыре аккумуляторные батареи соединялись параллельно и последовательно, генератор имел мощность 1,5 кВт, стартер — 15 л.с.

Средства связи состояли из радиостанции 10-РТ-26 и переговорного устройства ТПУ-47 на четыре абонента. На танке имелась противопожарная углекислотная установка автоматического типа. Для постановки дымовой завесы на корме танка крепились две дымовые шашки МДШ, оборудованные системой дистанционного запала и сброса.

Из-за стремления получить в танке Т-54 минимальный забронированный объем в сочетании с пушкой большого калибра пришлось существенно сократить боекомплект (до 34 выстрелов по сравнению с 58 у Т-44). Несмотря на увеличение диаметра башенного погона в свету до 1825 мм, из-за больших размеров казенной части орудия экипаж был стеснен в боевом отделении. Отсутствие подвесного полика сильно затрудняло работу заряжающего при повороте башни, снижая скорострельность, а иногда и калеча его. При интенсивной стрельбе была велика загазованность боевого отделения, несмотря на наличие двух вентиляторов — нагнетающего (на крыше башни) и вытяжного (на перегородке силового отделения).

В 1948 году завод № 183 впервые выполнил план производства танков Т-54, изготовив 285 машин. В том же году к выпуску «пятьдесятчетверок» приступили завод № 75 в Харькове, выпустивший 218 танков, и завод № 174 в Омске, цеха которого покинули 90 машин. Однако в январе 1949 года правительственным постановлением сборка танков была приостановлена на обоих заводах из-за многочисленных жалоб на низкую надежность Т-54, разосланных во все инстанции из Белорусского военного округа. Работавшие на заводах люди получали среднюю зарплату и использовались где придется. Всего в 1949 году было изготовлено 54 танка Т-54, в том числе 13 опытных образцов, 25 учебных и только 16 серийных. Объем конструкторских работ характеризуют такие цифры: башенная группа выпустила свыше 400 новых рабочих чертежей, корпусная — более 350, моторная — 300, группа оборудования — свыше 250.

Испытания продолжались до ноября, после чего вышло постановление правительства о принятии на вооружение новой модификации — Т-54 обр.1949 г., или Т-54-2.

Что же касается танков выпуска 1947–1948 годов, то на них, начиная с 1960 года, в ходе капитального ремонта устанавливались новые средства связи и приборы ночного видения. Впоследствии основная часть этих машин, еще находившихся на вооружении, подверглась переоборудованию в танковые тягачи БТС-4А.