車体中央にはステップや戸袋を持つ中央扉があり、強度面で不利なため、車体中央から運転台側に寄った床下に重量のある発電セットを搭載している。DMH17A ディーゼルエンジン (150ps/1500rpm) で直結したDM42直流発電機（300V・100kW）を駆動し、発生した電力で後位側台車に架装したMT45主電動機(端子電圧300V/定格出力45kW)2基を駆動した。このMT45は、日本初の量産型カルダン駆動方式主電動機である（直角カルダン駆動方式）。当時カルダン駆動電車は、私鉄各社でも開発途上であり、「『電車』ですらない」キハ44000形への採用は、通常では考えられない異例の措置であった。この背景には、試作車としての技術試験の意味合いと、軽量化の一手段としての面があったと推定される。なお、国鉄はその後の在来線電車では中空軸平行カルダン駆動を標準とし、標準軌間の新幹線ではWN駆動方式を採用したので、直角カルダン方式に対応する国鉄制式モーターはMT45が唯一である。制御システムはドイツで考案された「ゲブス式」と呼ばれる、複巻界磁回路による比較的簡易化されたシステムで、ドイツのフリーゲンダー・ハンブルガー用気動車などでも採用されていた。エンジン回転は、力行時1,500rpmの最大連続定格、アイドリング時500rpmでそれぞれ一定とし、高速走行時には主電動機の弱め界磁制御も行う。これら一切は電磁弁で遠隔操作が可能であるため、総括制御が実現された。なお、キハ44000形とその派生形の電気式気動車、そして同時並行で開発された液体式試作車キハ44500形は、在来の機械式気動車同様に排気ガスがすべて床下排気方式で、古い形態を残している。また連結器も、キハ17形以降で標準となる小型の密着自動式ではなく、軽量型ではあったが並形の自動連結器であった。もっとも、これは日本製鋼所による一連の密着自動連結器開発が未成の時期の計画であったことによるもので、過渡期の車両らしい特徴である。
台車は新開発の軽量台車であるDT18である。プレスした鋼板部材を溶接して組み立てる近代的な構造で、軸ばねも先進的なウイングばねであった。しかし、本来十分な柔らかさが必要な枕ばねに、軽量化・単純化のため防震ゴムブロックを採用した。そのあまりの硬さに、乗り心地は惨憺たるものとなった。特に軸ばねの機能が殺されてしまう両抱き式の基礎ブレーキが作動した際の振動はすさまじかったという。このゴムブロックによる枕ばねは、後続の液体式気動車用台車であるDT19でも無批判に踏襲され、欠陥もそのまま引き継がれてしまった。
車内は車幅が狭いためあまりゆとりはなかった。座席は軽量化のため、華奢な骨組みにビニール生地を張った粗末なもので、座り心地は良くなかったという。また暖房装置も戦前形気動車同様に、ヒートエクスチェンジャーによる排気ガスの廃熱を利用した簡易なもので、十分な暖房性能は得られなかった。
片運転台、ステップ付片開き3扉構成の20m級鋼製車である。非電化区間における80系電車的なスタンスで設計されただけに、正面形状は80系電車に酷似した2枚窓の「湘南形」であるが、運転台直後ドアのステップから前面全周までスカートもどきに外板が回り込んでおり、この「顎」から連結器やジャンパ栓が飛び出していて、やや面長な容貌であった。のちにこれらの初期試作車4両は「顎」の部分を切り落としている。軽量化のため、車幅は通常の国鉄車両より20cm近く狭い2.6m級で、屋根も浅い。これはそれ以前の気動車と同様で、軽量化技術が未発達だった時期のやむを得ない重量削減策であった。側窓は同時期の80系電車に類似した1段上昇式で、窓下にはウインドウシル（補強帯）が通されている。
2018年の初戦の弥生賞（中山芝2000メートル、GII）では、前年に無敗で朝日杯フューチュリティステークスを制しJRA賞最優秀2歳牡馬に選ばれたダノンプレミアムとの対戦が注目を集めた。単勝はダノンプレミアムが1番人気（1.8倍）に推され、ワグネリアンは2番人気（3.6倍）であった。レースでは先行したダノンプレミアムを捉えきれず2着に敗れた。中央競馬クラシック三冠の1戦目である皐月賞（中山芝2000メートル、GI）では、ダノンプレミアムが挫跖のために回避し、ワグネリアンが1番人気に推された。レースでは3頭が後続を大きく離して逃げる展開となるが、ワグネリアンは中団の後ろで待機。直線の入り口では馬群の外に進路を取ったが、前との差を詰めることが出来ず、4番手から抜け出したエポカドーロ(戸崎圭太騎乗)の7着に敗れた。この騎乗について福永は「ダノンプレミアムが回避したことで『多少強引な競馬をしても勝てると思ってしまった』」と自身の過信を反省の弁として述べている。続いて、クラシック三冠の2戦目である東京優駿（日本ダービー）（東京芝2400メートル、GI）に出場。怪我から復帰したダノンプレミアムらが人気を集め、ワグネリアンはいずれも自己最低となる単勝12.5倍の5番人気にとどまった。不利とされる外枠（18頭中の17番枠）からの発走となったが、先行集団でレースを進めると、ダノンプレミアムや逃げたエポカドーロらを最後の直線で差し切り優勝。鞍上の福永は19回目の挑戦で初の東京優駿制覇を成し遂げた。福永は「ゴールの瞬間もそのあと帰ってくる時も、自分がフワフワした感じになるのは初めての経験でした」と喜びを表すと共に、父・洋一が東京優駿に勝てないまま騎手を引退することになってしまったため「ようやく福永洋一の息子として誇れる仕事ができた。いい報告ができます。福永家にとっての悲願でしたから」とも述べた。夏は休養に充て、秋は神戸新聞杯（阪神芝2400メートル、GII）から始動。福永がこの競走の前週に落馬負傷し頭蓋骨骨折・気脳症と診断されたため、普段から調教で騎乗している藤岡康太が騎乗することとなった。レースでは、エポカドーロ（1番人気、4着）らを破り勝利した。この勝利によりクラシック三冠の3戦目である菊花賞（京都芝3000メートル、GI）の優先出走権を得たが、適性が長距離向きではないことから、次走は天皇賞・秋（東京芝2000メートル、GI）を目指すと発表された。しかし、神戸新聞杯後は疲れが抜け切らず、陣営の「まだまだ先のある馬ですし、今は無理をする時期ではない」という判断から、福島県のノーザンファーム天栄に放牧へ出され天皇賞を回避することが決まった。東京優駿に優勝したワグネリアンであったが、この年のJRA賞では有馬記念優勝など重賞3勝を挙げたブラストワンピースが最優秀3歳牡馬を受賞した。