使用予定線区の実輸送量に鑑み、DD51形よりやや出力を抑えた設計もDD91形から継承された。搭載機関は西ドイツマイバッハ社（Maybach=現・MTUフリードリヒスハーフェン）設計によるMD870を三菱重工業がライセンス生産を行ったDMP86Z、液体変速機は爪クラッチを介在させた4段変速機構をもつDW5で、同じく西ドイツのメキドロ社（Mekydro）が設計したK184Uのライセンス生産品である。この変速機構のため、力行中の変速進段時に一旦エンジン回転数が下がる変速音を発しながら加速するという独特の走行音であった。なお、1次車でシリンダーの水漏れトラブルが発生し、その対策をしたことから2次車の落成が遅れた。
2台の動力台車の間にTR104(DD54 1 - DD54 3)あるいはTR104A（DD54 4 - DD54 40)と呼称する、リンクにより横動を許容される構造の1軸中間台車を装着する。量産車でのサフィックス付与は、試作車用のTR104で台車装架であったATS車上子が車体床下装架に変更になった事に伴う設計変更を反映したものである。この中間台車の装着により、本形式は自重約70tの大型機でありながら軸重は約14tに抑えられ、4級線への入線が可能となっている。
一般的なアウトサイドフレーム（外側台枠）式の軸ばね台車を装着していたDD91形とは異なり、2軸インサイドフレーム（内側台枠）式台車であるDT131B(DD54 1 - DD54 3)あるいはDT131E（DD54 4 - DD54 40)を装着する。これらは1965年設計のDD53形用DT131の派生機種にあたり、最終減速機の歯数比が本形式と同じ1966年に設計されたDE10形試作車(DE10 1 - DE10 4)用DT131Cと同じ4.482となっているなど、極力他形式と共通の部品を採用することで保守の合理化を図っている。なお、量産車が装着するDT131Eは、DE10形基本番台（DE10 5以降）および500番台などに採用されたのと全く同一品である。
西ドイツのメーカーからのライセンス供与を受けて製作されたエンジン・変速機を搭載するが、動力台車や蒸気発生装置、それにブレーキシステムは同時期製作のDD51形やDE10形などとの部品の共通化が図られている。
1966年に試作車としてDD54 1 - DD54 3の3両が製造され、各種試験に供された。DDで軽い軸重のため、空転により、急こう配で540t貨物が引き出しできないなど、いくつかの問題があったが、亜幹線用機関車の位置づけであったことから、無煙推進の旗手として増備されることになった。その後、1968年から1971年までの4年間にDD54 4 - DD54 40の37両が量産車として製造。西ドイツ側メーカーと三菱重工業がライセンス契約を結び、国内で製造を行った。その開発経緯から、全車とも三菱重工業が製造を担当しており、製番は順に1389 - 1391・1485 - 1489・1631 - 1640・1738 - 1744・1750・1751・1753・1765 - 1776となる。なお、わずか4年間に集中して37両が製造されたにもかかわらず製番が連続せず、かなり細かく細分化されている。これは当時の三菱重工業三原製作所が国鉄向けの他形式の機関車も国鉄から受注・生産していたためであり、欠落部分の番号の大半はそれらに割り当てられている。ライセンス生産となったエンジンや変速機については契約上、日本側での設計変更や改造は認められておらず、あくまで製造のみが認められていた。この事項が同機関車の運命を決定づける要因になった。
テレビで踊っている今井翼を見て「カッコいいなぁ」と思い、両親を説得し、自ら履歴書を送って1998年6月にジャニーズ事務所に入所。2001年にNHK総合『ポップジャム』で堂本光一の専属バックダンサーとして結成したKAT-TUNのメンバーに選ばれ、2006年3月22日、シングル「Real Face」でCDデビュー。2008年9月8日 - 9月21日、初のソロコンサート『MOUSE PEACE』を開催し、5万2500人を動員。披露するほとんどの曲の作詞を手掛けた。2009年、初主演舞台『ロミオとジュリエット』を東京グローブ座（2009年3月4日 - 3月29日）とサンケイホールブリーゼ（2009年4月2日 - 4月5日）にて公演。また、同年4月からはフジテレビ系の月9ドラマ『婚カツ!』で連続ドラマに初出演。2011年10月期のTBS系ドラマ『ランナウェイ〜愛する君のために』の出演に際して、役づくりのため髪を丸刈りにした。2012年には、ドラマ『ボーイズ・オン・ザ・ラン』に出演。特技のボクシングを生かして、天才ボクサーの役を演じた。2016年4月に生放送されたTBS系のバラエティ特番『オールスター感謝祭'16 春』内で実施されたイベント企画「赤坂5丁目ミニマラソン」にて初優勝。2017年10月期に『新宿セブン』で連続ドラマ初主演をつとめ、ソロで主題歌「未完成のアンサー」も担当した。2019年4月6日 - 4月11日、トニー賞最優秀振付賞にもノミネートされた舞踏家のホフェッシュ・シェクターが振付・音楽を手掛けた『ポリティカル・マザー ザ・コレオグラファーズ・カット』の日本初公演で主演を務めた。