东风11D型柴油机车的车体结构与东风6型、东风4D型机车大致相同，采用双司机室、内走廊式侧壁承载全焊接钢结构车体。机车从前到后分别为第一司机室、电气室、动力室、冷却室、辅助室、第二司机室。电气室内设有电气控制柜、主硅整流柜、励磁整流柜和电阻制动柜等电气设备，以及启动变速箱、启动发电机、前转向架牵引电动机通风机等设备。动力室位于车体中部，安装了一套柴油发电机组，以及空气滤清器、燃油输送泵、燃油滤清器、机油热交换器、膨胀水箱等辅助设备。冷却室设有油水系统冷却装置，包括V型结构的铜散热器、冷却风扇、静液压变速箱、后转向架牵引电动机通风机、两台空气压缩机等。辅助室内装有预热锅炉和空气干燥器等。车体底部两台转向架之间，吊装着燃油箱、蓄电池组和两个总风缸。

东风11D型机车装用一台12V280ZJ型柴油机，是由大连机车车辆厂与美国西南研究院联合开发的大功率、高强化、低排放柴油机，于1997年开始研制、2000年完成了首台12V280ZJ型柴油机的组装试制，并顺利通过100小时耐久可靠试验。该型柴油机为12气缸、四冲程、废气涡轮增压的直喷式V型中速柴油机，缸径280毫米，活塞行程320毫米，采用高强度球墨铸铁机体、电子喷射系统、MPC增压系统，柴油机UIC标定功率为4410千瓦，装车功率为3820千瓦，标定转速为每分钟1000转。

东风11D型机车采用交-直流电传动系统，柴油机直接驱动一台交流发电机发出三相交流电，经由硅二极管组成的三相桥式整流装置整流为直流电后，输送给六台并联连接的直流牵引电动机，通过传动齿轮驱动轮对。牵引发电机为JF212型无刷励磁三相交流同步发电机，额定容量为4,200千伏安，冷却方式为自通风式。牵引电动机为ZD106A型串励直流电动机，额定功率为600千瓦，主绝缘采用C级(200级)绝缘材料，冷却方式为强迫通风。为扩大机车的恒功率速度范围，牵引电动机可使用一级磁场削弱，磁场削弱率分别为67%。

东风11D型机车的控制系统采用了大连机车车辆厂研发的ADLC(Advanced Diesel Locomotive Controller)多功能微机控制系统，是在以往的EXP、DLC车载微机系统基础上改进而成。该系统以英特尔16位80C196微处理器为核心，具有机车牵引及制动控制、柴油机转速及功率控制、磁场削弱控制、防空转防滑行控制、故障诊断和保护控制等功能。

机车走行部为两台可互换的三轴转向架，其结构与东风4D型准高速客运机车的全悬挂转向架完全相同。一系悬挂采用独立轴箱拉杆定位圆弹簧加液压减震器，二系悬挂采用高柔圆弹簧及橡胶垫，车体与转向架之间并装有垂向减振器、横向减振器和抗蛇行减振器。转向架固定轴距为2×2000毫米。牵引力和制动力通过转向架与车体底架间的低位平行四杆牵引机构传递。牵引电动机采用双侧六连杆轮对空心轴全悬挂安装方式，传动齿轮比为74:31。