东风9型机车采用低合金钢侧壁承载结构棚式车体，设双侧贯通式内走廊、双端司机室。机车车体从前到后依次为第一司机室、电气室、动力室、冷却室、辅助室和第二司机室。电气室内设有高低压电器柜、电子恒功率控制柜、主整流柜以及卧式电阻制动柜，并装有牵引电机通风机。动力室在机车中部，安装了一套柴油发电机组，以及辅助发动机、励磁机、燃油输送泵、空气滤清器等辅助装置。冷却室内设有V型结构的散热器和风扇，此外并设有牵引电机通风机、机油滤清器、空气压缩机等设备。辅助室内安装预热锅炉及其控制柜。车底两台转向架之间设有燃油箱、总风缸和蓄电池箱。

机车装用一台16V280ZJA型柴油机，为16气缸、四冲程、废气涡轮增压的V型中速柴油机，是在东风8型机车装用的16V280ZJ型柴油机基础上改进设计而成的大功率柴油机，其装车功率比16V280ZJ型柴油机高300千瓦，燃油消耗率也有所降低。气缸直径280毫米，活塞行程285毫米，标定功率3860千瓦，装车功率3610千瓦 ，并采用了江津增压器厂引进瑞士ABB公司专利生产的高压比、高效率的VTC254型增压器和模件式脉冲转换增压系统(MPC)。空气滤清装置为两级滤清系统，分别为多旋流管式粗滤器和纸质细滤器。

机车采用交-直流电传动，采用TQFR-3000C-1型三相交流同步发电机和ZD106型直流牵引电动机，柴油机通过弹性联轴节直接驱动一台三相交流同步牵引发电机，通过硅整流装置把牵引发电机发出的三相交流电整流为直流电，再将电能输送给两台转向架上的六台并联的直流串励牵引电动机，通过传动齿轮驱动车轮。

东风9型机车的电子控制系统，借鉴了美国进口ND5型机车的恒功率励磁控制系统和粘着控制系统。柴油发电机组的恒功控制系统，能保证机车牵引工况时，柴油机在各个转速下运行，整流柜输出均具有恒功率特性;而在制动工况下，电阻制动具有恒励磁电流特性。此外，该装置还具有轮对防空转防滑行功能，提高机车的粘着系数。

机车走行部为两台完全相同的三轴转向架，轴箱拉杆定位、一系独立悬挂、低位牵引杆等均沿用了中国国产内燃机车普遍采用的结构。为了满足机车高速运行时动力学性能要求，东风9型机车是在中国国内首次采用了双侧六连杆轮对空心轴式牵引电动机全悬挂、高柔圆弹簧二系悬挂。轮对空心轴式牵引电机全悬挂的特点为，将牵引电动机全部重量悬挂在转向架构架上，牵引电动机的扭矩通过牵引齿轮、弹性六连杆机构、空心轴装配，从而驱动轮对。与抱轴式转向架结构相比，轮对空心轴式每轴簧下重量可以减轻近50%，大大减少高速运行时的轮轨作用力。双侧六连杆轮对空心轴结构同样被后来的东风11型、韶山8型等准高速客运机车所采用。

此外，车体与转向架之间的二系悬挂也采用高柔度圆弹簧结构，转向架两侧旁承座各设有四个独立圆弹簧，具有较大的垂向静挠度和较小的横向刚度，能改善机车高速通过曲线的性能;二系悬挂还设置了垂向、横向油压减振器以及抗蛇行减振器，均采用荷兰科尼公司(Koni)的减震器产品。

东风9型内燃机车代号DF9。是戚墅堰工厂研制的准高速客运内燃机车。采用了轮对空心轴牵引电动机全悬挂转向架、6连杆万向轴两级弹性驱动、二系高柔圆弹簧串联瓦状橡胶垫车体悬挂、蛇型液压减振器等当代先进技术，可以满足高速运行要求。柴油机装车功率达到4500kW，最大速度160km/h，轴式Co-Co，传动方式为交-直流电传动。该型机车没有正式投产。

传动方式为交-直流电传动