DMH17B形ディーゼル機関（160PS/1,500rpm）にTC2液体変速機とDT19形台車を組み合わせている。変速機は後にDF115も用いられた。エンジンと変速機は車体床下に吊り下げられた機関台枠に搭載されており、ここから取り出された動力は、プロペラシャフト（ユニバーサルジョイント）、ギアボックスと一体化の上で台車のトランサム（横梁）に2本の平行リンクで結合して支持される、ベベルギアと平ギアによる逆転機、およびこれと一体化された平ギアによる最終減速機を経て、台車の車体中央寄り1軸を駆動する構造であった。この基本構成、特に逆転機の支持機構は戦前の日本において気動車開発で最先端を走っていた日本車輌製造本店が1920年代末期に考案し、国鉄ではキハ36900形で初採用したものである。これはその簡潔にして合理的な構造ゆえに、日本の気動車における駆動システムの標準方式として国鉄・私鉄を問わず広く普及し、1960年代末に2軸駆動のために逆転機を最終減速機と分離した新系列気動車が誕生するまでの、日本で製作されたボギー台車を装着する機械式気動車と液体式気動車のほぼ全てに採用され、21世紀に入った現在もなお、その一部が引き続き使用され続けている優れた設計である。もっとも、その反面構造上の制約から2軸駆動が困難という問題があり、本系列でも1台車1軸駆動が踏襲されている。
内装はベニヤ板に耐火塗料を塗布した簡易なもので、照明は白熱灯であり、扇風機は設置されていなかった。客用扉は、長編成化に伴う保安性向上と地方線区向け車両としてのコストダウンとの両立を考慮、開扉は乗客の手動により、閉じるときにのみ自動で動作する半自動ドアとされた。これに応じて専用に新型の小型ドアエンジン・TK5型を装備している。このドア閉動作は運転台からの総括制御により、編成全体で動作した。座席は当初、機械式気動車や電気式・液体式試作気動車同様に背ずりの低い簡易なタイプで全クロスシートであった。しかし、これでは居住性が悪いため、1954年（昭和29年）途中から製造されたものは背ずりが高くなり、車端部にはロングシートを設置してラッシュ時に対応している。初期型の一部にはドア付近のクロスシートを撤去して立席を広げたものがあった。それでも地方線区の普通列車用であるため肘掛けは省略され、背ずりも軽量化のために中板がなく、枠が詰め物を囲うだけの簡易な構造とされ、背中合わせに座った客の動きが互いに伝わってくるという、極めて粗末な代物であった。布団上掛けは同時代のバス同様にビニール張りであったが不評で、後にモケット張りに改められた。車幅が狭いことからゆとりも少なく、台車構造の欠陥（後述）も伴って乗り心地は良くなかった。便所設置車は専用の500L水タンクを客室内に置いている。両運転台のキハ11・12形ではスペース節減のため、便所を運転台助士席側直後に半分めり込ませたようなレイアウトを採り、かつ、便器をトイレ内の対角線に沿って配置している（これは他にあまり例のない手法である）。もっとも、キロハ18形については二等客室に座席ピッチの広い固定クロスシートを配置し、便所の他に独立した洗面所も設けている。なお、キハ10系は運転席周りの前後スペースが窮屈で移動しにくかったため、特にその初期に見られた準急列車・快速列車運用では、タブレット閉塞区間の通過駅で運転台側（進行方向左側）が通過ホームとなる場合、二人乗務した運転助士がタブレット授受に難渋を強いられたという。この問題を避けるため、気動車不足であった1950年代末期の気動車準急列車には、運転席後方にゆとりを持たせ乗務員がタブレット授受をしやすい準急形のキハ55系を手配して先頭に連結、中間車は格下のキハ10系で間に合わせるという、竜頭蛇尾な混成編成も関西本線などで見られた。
1986年から放映が開始された『聖闘士星矢』と、その成功を受けて製作された1988年放映の『鎧伝サムライトルーパー』などに代表される、いわゆる“美少年アニメ”のブームを受けて、1980年代の末には“美少年アニメ”作品などを題材にした2次創作物である同人誌が大量に制作され、一部の作品については最大の同人誌即売会「コミックマーケット」でも単体ジャンルとして分類を受けるなど、一定のスペースを占有する程の規模で数多のサークルが手掛けるものとなった。このブームに目を付けたのが青磁ビブロスやラポートなどの中小のサブカルチャー系出版物を手がけていた出版社で、これらをまとめた同人アンソロジー本の制作を手掛け、相当数が商業出版ベースで流通・販売される状況が見られた。ここからさらに一歩進んで、同人作家による美少年アニメの2次創作の事実上の新作（同人アンソロジー集の掲載作品は作者個人の同人誌に収録されていることを建前としていたが、実際には作者のサークルの新刊同人誌の通信販売の宣伝に用いられていた）を商業ベースの出版社がまとめた、事実上の“新作アンソロジー集”までもが登場するという状況になっていった。これらアンソロジー集について、企画した出版社は「アニパロコミックス」と同様、あくまでパロディとして独立した作品であるというスタンスを取り、ノーライセンスの同人アンソロジー集が“元ネタ”とした作品の著作権者からのライセンス許諾を得ることもないまま、一般書店の漫画本売場の一角で堂々と販売されていたのである。しかし、その内実を見ると、これら大量の作品群の大半は、男性キャラクター同士による同性愛の描写が含まれる「やおい同人誌」であり、本来は児童層を対象としたテレビアニメ作品の2次創作である事を鑑みればなおさらに、各方面から少なからず問題視される内容のものであった。この事も要因の1つとなり、1990年代初頭からは、サンライズなど複数のアニメ制作プロダクションや、バンダイなどのキャラクター玩具・テレビゲームソフトなどのメーカーが、“パロディ”の商業作品を含む著作物の2次創作に対する姿勢を大きく改め、著作権管理を厳格化する方向に動き始めた。作品・キャラクターなど著作権の2次使用についても制限の明文化を進め、商業ベースでの無許可使用に対しても、裁判などには中々至らなかったにせよ出版社に対する警告書の送付や資料・情報の提供の中止、広告出稿の停止などの対応を逐次進めていった。平成初頭のこの様な著作権者側の著作権管理体制の強化は、ほんの数年も経たぬ内に、「アニパロコミックス」の様なノーライセンスのパロディ作品を利用した商業出版活動や、同じくノーライセンスでの同人アンソロジー集の商業ベースでの制作を、極めて困難なものにしていった。