EMU800型在外观上有所创新，与台铁现有任何一款通勤电力动车组设计皆不同，首先在车头端面采用与TEMU1000型类似的流线型设计，为台铁首次将流线型车头端面设计运用在通勤电力动车组中。而在车身涂装部分，车侧以不銹钢车体的银灰色系为基底，于车身中段搭配蓝、黄色线条，顶端亦有黄色带，车头端面则采半椭圆状的蓝色涂装，并将车侧顶端的黄色带延伸至车头，沿着半椭圆状边缘弧形下收，呈现近似弦月或微笑的造型，而此设计也使台铁员工及铁道迷称其为“微笑号”，车头侧面也绘有“800”的专属标志，其将数字与人骑自行车的图案相结合，00两数字也象征为自行车轮。
EMU800型采逼近车辆限界方式来设计，车体部分使用不銹钢材质，与EMU700相同采用日本车辆模块化工法组合。车头端面部分因高强度的不銹钢难以曲面加工，则使用表面金属漆涂装之耐候钢材质。但因为两者材质表面反光特性不同，所以车头端面与车体接面处会因为天候、阳光角度及观看位置而有不同的色泽呈现。
车头端面的头、尾灯、车头列车资讯显示屏（DD）、挡风玻璃与连结器罩总成配置与TEMU2000型极为类似，不过挡风玻璃较TEMU2000型为大，头、尾灯亦采独立灯罩设计，驾驶室侧窗则与EMU700型相同，并设置驾驶员专用门。车厢连结处也加装类似台北捷运381型电力动车组的防坠挡板，并采用单片式风挡。而车侧各车厢客室窗户配置原则上延续EMU700型，不过2~7车靠近车厢连结处的车窗，因座位配置因素，改设置较为靠近车厢连结处。另外，3、6车受电弓及厕所雾化车窗，设置于靠4、5车车厢连结处。
至于EMU800型后续增购的6列12辆编组，车体外观大致上仍延续先前编组之特色，不过将车头端面的黄、蓝色部分涂装对调，另外车身中段线条也将黄、蓝色部分比例由1：1调整为3：1，顶端黄色带下方亦新增一条蓝色带，以凸显与先前编组制造年份之差异。
EMU800型每列车设计最高可载运1262名旅客，包含352个座位及910个立位。车厢内装设计原则上延续EMU700型的规格配置，车门口上方装设环状握杆及拉环，2到7车并恢复设置EMU400－600型采用的中央立柱，车门两侧的玻璃防抢隔板亦改采圆弧状设计，以提供立位乘客更多抓握空间，车内比照EMU700型于车门上方装设列车到站资讯显示幕（SI），显示幕尺寸加大，除可显示延续EMU700型的当前列车位置与前方停靠车站资讯外，亦能显示车厢编号及列车车种、车次、经由线别、终点站、沿途停靠站等列车资讯。另外也设有车门开门状态指示灯，以指示开门方向，而各车厢第1、2车门与第2、3车门间中段的天花板，各设置2台旅客资讯显示屏（VPIS），继EMU600型电力动车组改造之后，EMU800型是台铁第三款使用相同概念设计的列车，可显示列车设施概况、乘车及旅客服务等资讯，并辅助列车到站资讯显示幕显示车门开启方向、停靠站及转乘等资讯。另外EMU800型也有设置紧急对讲机，方便旅客于紧急情况时，能与列车乘务员即时取得联系。
座椅则采用人体工学绒布座椅，并加高椅背及强化绒布柔软度，以提升旅客乘坐舒适度，博爱座比例亦提升至全车座位的25%，并在博爱座椅区域的地板采防滑设计，并以黄色区域标示，其上拉环亦同步改成黄色，座椅旁也加设扶手，除方便有需求旅客快速辨识外，并同时提升乘坐安全。座椅排列方式方面，1、8车因增设自行车置放区，改为类似EMU500、600型的一字型设计，且座位数仅16位（包含8张折叠椅及8张博爱座位），2到7车则全面采取非字型设计（EMU700型在靠近车厢连结处为一字型），但座位数也较EMU700型为少，而每个座椅在其行李架上方亦有设置座号标示。
EMU800型在第1、3、6、8车设置厕所，其中1、8车在靠近2、7车的车厢端处设置多功能厕所（含折叠式婴儿更换尿布床及紧急对讲机），另外该车厢也打造成自行车及博爱专用区域，靠近驾驶室端的第1、2车门之间，设置8张（单侧4张）折叠座椅及4组（单侧2组）自行车置放架，若折叠座椅全数收起，可供放置4台（每列车最多可置放8台）自行车，而第3、4车门之间，则设置8张（单侧4张）博爱座椅以及轮椅停放区。
至于EMU800型后续增购的6列12辆编组，除1、8车的座椅配置延续先前编组设计外，2~7车的座椅配置全数改为一字型，以增加搭乘人数并提升载运量；同时也首度将博爱座更名为优先席，并增加“内部器官障碍者”图示，以强调能给予于身体外观上无法分辨，而体弱或有需要之旅客使用，使其适用范围更加广泛。
EMU800型延续前代EMU700型电力动车组配置，在列车的车头端面、车厢侧面以及车内车门上分别装设车头终点显示屏（Destination Sign，简称DD）、车侧终点显示屏（Destination Indicator，简称DI）、车内到站显示屏（Station indicator，简称SI）发光二极管（LED）显示幕。EMU800型则在车厢内新增液晶显示屏（LCD）（通称为旅客资讯显示屏〔Visual Passenger Information System，VPIS〕），屏幕显示广告播放或政令宣导以及可显示列车沿途停靠站、列车到站提示、列车到站开门方向提示、旅客转乘资讯。此外，列车的广播采用自动广播系统，以语音播放国语、闽南语、客家语、英语（英文部分的Station已被取消）等到站资讯，并且增加转乘车站资讯。
EMU800型的机电系统为日本东芝制造，其动力车牵引逆变器（C/I；即主控制装置与整流器）采用绝缘栅双极晶体管（IGBT）变频器（VVVF）控制元件之脉冲宽度调变（PWN）进行控制，采用SEA-431型220kW鼠笼式三相异步电动机，每辆电动机车皆装有4组电动机，总计单组最大出力可达1,760kW（1列2组则为3,520kw），因此运营最高速率可达130km/hr，设计速率则为140km/hr。而列车电力则是经由列车主变压器降压后，共区分两组电路，一组提供给牵引逆变器，再借由牵引电动机输出，作为列车主要动力来源，另一组则借由辅助模块提供给两组静态式变流器（SIV），作为列车车内照明、空调、旅客资讯系统等设备的电力来源。因为与TEMU2000型引进时间接近，因此机电设备与TEMU2000型共通，不过两者阻力有所差异。另外EMU800型车的受电弓采用英国Brecknell Willis所制造的单臂式受电弓，与EMU100－400型电力动车组类似，不过其受电弓舟形式则是略有不同，虽然真空断路器（VCB）仍是台铁新型电力动车组标准形式，但高压组件的配置方式仍异于标准型式。
EMU800型之转向架为四轮无摇枕式，一次悬吊为雪弗龙型（Chevron）、圆锥型橡胶弹簧，二次悬吊则为空气弹簧及紧急橡胶弹簧，并装设抗蛇行动减震器（Yaw Damper），以提升高速运行时的行车稳定度。而转向架结构经过强化，可使用钢索及吊勾将其安全吊起或于地面进行拖拉，而不损伤转向架本体。动力车（生产编号均以EM开头）使用ND-741M型动力转向架，无动力车（驾驶拖车，生产编号均以“ED”开头）以及电源拖车（生产编号均以“EP”开头）采用ND-741无动力转向架。
EMU800型制动机系统采用日本纳博特斯克（Nabtesco）制造的HRA形电传操纵空气制动（EM车为踏面型，EP、ED车为碟型），并搭配烧结式（粉末冶金）闸瓦及刹车片，可提供列车较强的制动能力，制动时亦无异味，并具备踏面清扫功能。另外，EMU800型也与前代EMU700型一样具备电力回生电气制动，并具备电气制动优先功能。司机员透过司轫阀对列车进行制动时，会先行启动电气制动，待列车速率降低到电气制动轫力逐渐下降时，才会辅以闸瓦空气制动使列车持续减速至停止，以降低制动机踏面对车轮之磨耗，而空气压缩机则采用与EMU700型相同的新一代低噪音螺旋式空气压缩机。由于烧结合金乃以金属为主体之材质，因此低速紧轫时会产生尖锐的摩擦音（同时期的TEMU2000型亦同），为改善此缺点将列车牵引系统的控制逻辑加以修正，使电气制动可作用至1km/hr以下，以尽可能减少摩擦刹车带来的噪音。
EMU800型的铁路安全装置采用台铁自2006年开始启用的庞巴迪制的列车自动保护系统（ATP），相当于欧洲铁路交通管理系统等级一规范。
