日本製鋼所が1924年（大正13年）に開発したニセコ鋼板を採用した。表面浸炭処理をしたニッケルクロム鋼で、防弾鋼板の他、船舶部品の素材としても使用された。溶接技術の発達していない時期の開発のため、本車の装甲板はフレームにリベットで接合されていたが、これは装甲板をリベットによって接合する各国の戦車に共通の問題として防御上好ましいものではなかった。リベット接合の場合、リベットの頭に被弾すると残りの部分が弾け飛び、車内を跳ね回って乗員を傷つける危険性が高かった。装甲厚は、車体前面が17mm、車体側面上部と車体後面（一部は12mm）が15mm、車体側面下部が12mm＋増加装甲3mm、車体下面が5mm、車体上面が10mm、砲塔周囲が17mm、砲塔上面が10mmである。射距離150mの十一年式平射歩兵砲（口径37mm）の射撃に抗堪できる装甲厚とされた。実戦では、中支における八九式中戦車の被弾記録によると、7.92mm徹甲実包（7.7mm徹甲実包や、7.92mm普通実包以上に威力がある）を、射距離30m〜70mから複数被弾した事例が記載されている。これらは、あらゆる角度から被弾しても装甲に十数mm侵徹した事例はあるものの貫通することはなかった。ただし一例だけ射距離30mから弾着角85度で被弾した場合、装甲に17mm侵徹(「砲塔部に侵入」であり貫通とは記載せず)したとなっている。13mm機関砲徹甲弾を被弾した場合は、射距離200mから弾着角90度で着弾した9発のうち1発が貫通、同距離で弾着角30度で着弾した場合は8発命中しても8mm侵徹するものの貫通することはなかった。20mm機関砲徹甲弾を被弾した場合は、射距離250mから弾着角90度で着弾した11発のうち4発が貫通した。37mm砲徹甲弾（3.7 cm PaK 36と思われる）を被弾した場合は、射距離300m以内ならばあらゆる角度から被弾しても貫通、となっており、射距離500メートルから弾着角30度で着弾した場合は貫通せず、深さ3mm、幅18mm、長さ40mmの侵徹痕が出来た、と記載されている。
酷暑地域での運用を想定して設計されており、断熱材として戦闘室と砲塔に石綿の内貼りが施されていた。戦闘室と機関室は石綿加工板の中央隔壁で仕切られ、隔壁には戦闘室と機関室を通じる連絡扉があった。乗員はこの連絡扉を潜って機関室に入り、エンジンや各機器の整備や調整を行った。機関室右側には上下に並んだ風扇（シロッコファン）があり、エンジンの冷却と戦闘室の換気を行った。射撃時は一酸化炭素中毒対策として、連絡扉や車体各部の窓を開けて行った。始動電動機（セルモーター）が付いていたが、補助用に戦闘室側の隔壁に人力始動装置用ハンドルが付いていた。乙型ではハンドルは廃止された。車体左袖部（ゆうぶ、車体側面の張り出し部分）最後部に水タンクが設置してあり、水冷ガソリンエンジンの予備冷却水にする他に、乗員用の飲料水にした。戦闘室内後部左側に蛇口がある。各型に共通する装備であり、空冷ディーゼルエンジン搭載の乙型では純粋な飲料用であった。前期生産車は水冷ガソリンエンジンを搭載していたが、後期生産車では空冷ディーゼルエンジンに変更された。のちにガソリンエンジン搭載型は甲型、ディーゼルエンジン搭載型は乙型と分類された。（後述）また、前期型車体と後期型車体の形状は別物に近く異なった物になっている。甲乙の分類はエンジンの違いによる区分であり、これは必ずしも前期後期の車体形状の違いと一致しない。日本軍の機密保持が徹底していた為、諸外国では形状が変化した後期型車体の八九式を、新型の九四式中戦車であると誤って認識していた。
1950年2月にジャガーのエンジニアであったウォルター・ハッサン(Walter Hassan)が、消防用ポンプのメーカーであったコヴェントリー・クライマックス社に入社し、まずFW(Feather Weight,羽のように軽いの意味)と言うコードネームを持つ、直列4気筒で1020ccの排気量を持ち3500回転で39馬力を発生する消火ポンプエンジンを作成した。そしてこのエンジンが1953年のアールス・コート・モーターショーに出展されると、それまでフォードやMGの市販車エンジンをチューニングしてレースに臨んでいたクーパーやロータスなどのコンストラクターが、是非スポーツカー・レース用にこのエンジンをベースとした高性能エンジンを使いたいとクライマックス社へ要望した。彼らの要望に応える形で、クライマックス社はFWエンジンを改造したFWA(Aはオートモビル・1100cc/6500回転/75馬力)エンジンを生産する事を決めた。これは世界で最初の市販レーシングエンジンで価格は250ポンドであった。クライマックス社は、レーシングエンジンの常として特別にチューニングしたエンジンを要求する顧客の要望には一切応じず、首尾一貫して常に同一レベルの性能を持ったエンジンを公平に顧客に販売し続けるという姿勢を崩さなかった。(これに対して自社チューンを施してエンジンの性能を上げようとしたのが、コーリン・チャップマンとスターリング・モスだった。但しクライマックス社のベンチ上でブローアップする羽目に。)続いてFWAは1956年に当時のF2に適した排気量を持つFWB(1460cc/6000回転/100馬力)というエンジンに拡大されてクーパーのシャーシに搭載され、ロイ・サルバドリのドライビングにより大活躍する事となった。また、このFWAとFWBの部品を流用して作られたのがロータス・エリートのエンジンであるFWEである(Eはエリートの意味)。これより先、1952年にFIAは1954年シーズンからF1のエンジンレギュレーションを2.5リッター自然吸気もしくは0.75リッター過給とする事を発表した。クライマックス社の社長レオナルド・リー(Leonard Lee)氏は、消火ポンプエンジン転用ではなく、本格的な2.5リッターグランプリエンジンを開発すべく、ウォルター・ハッサンへ指示した。このエンジンはV8で250馬力のパワーを出す事を目標とし、コードネームはFPE(Fire Pump Engine)と名付けられた。（この名称はライバルであるフェラーリやマセラッティ及びメルセデス・ベンツなどへその意図をカモフラージュする為に付けられた。）しかし、開発が進むにつれ250馬力から264馬力程度の出力を示していたFPEに比べて、すでにライバル達が発表していた馬力はそれを上回り、”勝ちうるエンジンでなければ売らない”というクライマックス社の基本方針に従って開発は中止された。（しかしこれはライバルの発表を信用しすぎた事となっていた事が1954年シーズン終わりに判明した。）このプロジェクトの中止に伴い、せっかく開発されたFPEの経験を生かして本格的な1.5リッターF2エンジンを開発する事が決定され、V8のFPEを丁度片側だけにしたFPF（Eの次でF）エンジンが誕生した。このエンジンは1475cc/7300回転/141馬力の性能を持ち、11.9kg/cm3という最大トルクに近いトルクを4000から7500回転まで発揮し、有効パワーバンドが広いというクライマックスエンジンの特徴はその後のシリーズに受け継がれる事となった。