韶山4型电力机车是双机重联的8轴大功率干线货运用电力机车，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，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，车顶并设有25kV高压连接线，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。机车持续功率6400千瓦，轴式为2×(Bo-Bo)，机车两端并设有重联装置，可以与另外一台八轴电力机车连接，进行重联运行，以提高总牵引力进行长大列车重载牵引。机车的主传动系统采用交-直流电传动方式，使用串励式直流牵引电动机。初期型主电路采用四段半控桥式;后期的韶山4改型采用不等分三段半控桥式。

韶山4型电力机车的布置继承了韶山系列电力机车的传统特点，采用双侧纵向内走廊、斜对称布置;机车车体中部设变压器室。每节机车司机室之后车顶装一台单臂受电弓、中部变压器室车顶装一台主断路器。机车并采用了一些新型技术和设备，如司机室采用双针电表、发光二极管故障显示屏，主电路、辅助电路、控制电路分束隔开布线。韶山4改型机车又进一步采用电气线路预布线和制动管路预布置新工艺以提高组装功效。

机车车体为整体承载式结构，采用低合金高强度钢板全焊接结构。两节车体用车钩连接，并设有防脱钩安全装置，车钩上方为连接风挡和通道。前窗为导电膜电热玻璃;两侧活动窗采用轻合金成型拉窗。为减轻重量，机车车体除承载结构普遍采用高强度低合金外，非承载结构使用了铝合金材料，并大量采用压型件。韶山4改型机车车体借鉴了8K型电力机车的设计，采用了大顶盖和高台架结构。

机车走行部机构为四台两轴转向架。悬挂系统与韶山3型电力机车基本相同，一系悬挂为圆弹簧，二系悬挂为橡胶叠层簧。韶山4型机车采用平行牵引杆，粘着重量利用系数仅为0.9且不便于维修，韶山4改型机车采用推挽式中间单斜拉杆结构，以充分利用粘着重量，结构较简单，且粘着重量系数可达0.925。机车采用双侧刚性斜齿传动、电机抱轴式半悬挂。基础制动采用单元制动器、低倍率高磨合成闸瓦。韶山4型与韶山4改型的转向架因车体接口不同而不能通用。

韶山4型电力机车主电路采用大功率晶闸管多段桥相控整流方式，对机车进行无级平滑调速控制。其中韶山4型初期型采用经济四段半控桥式整流调压电路，使用恒压或恒流控制，电阻制动工况采用两级制动(恒励磁、准恒速控制);后期改进型采用不等分三段半控桥式整流调压电路，牵引特性为恒流、准恒速特性控制;电阻制动为准恒速限流加馈电阻控制，具有与再生制动相当的优良低速制动，缺点是耗能较大。韶山4改型还采用了三次谐波滤波器以改善机车功率因数，缺点是增加了系统的复杂性。两种机车都具有轴重转移的电器补偿控制环节和防空转、滑行保护装置，以改善机车的粘着利用。

韶山4型电力机车辅助电路都采用传统劈相机及电容分相起动通风机后备的双馈单-三相变流系统。每节机车只设一台劈相机，当该机因故障切除后，可用电容对第一台牵引风机电动机直接分相起动，然后该电机兼作劈相机，在接触网电压达22kV以上时，可逐一起动其他辅助机组，避免机破事故。辅助电机的保护形式有两种，一部分韶山4型机车采用三相自动开关，具有过载、短路复合脱扣保护功能，并可直接切除故障电路;另一部分机车采用了电子保护，具有过载与短路保护功能，其缺点是不能直接切除故障电路而需借助于机车辅机接触器切除或主断路器保护性断电。

机车通风系统采用传统的车体通风方式，进风口为车体侧墙大面积立式百叶窗。初期型的各通风支路均为并联方式，具有相对的独立性，但是通风机数量较多;改进型改为硅整流柜与牵引电机风路串联，从而减少了风机数量也提高了可靠性。

机车空气制动系统采用DK-1型电空制动机，加设了必要的重联装置。韶山4改型机车还具有空电联合制动功能，适用于长大坡道的重载长编列车牵引。每节车设有每分钟排气量三立方米的空气压缩机一台，总风缸两个，全车总风缸容量为1800升，是普通六轴机车的1.5倍。每节车设有空气干燥器一台，改善了空气系统风源质量，特别是极寒地区的工作条件。