国鉄C61形蒸気機関車20号機
復元後の当機の装備と容姿

C61 20の汽笛の音（弱めに鳴らした場合）
C61 20の汽笛の音（強めに鳴らした場合）
当機の外観で一番大きく変化が見られた炭水車には、D51 498などと同様に機関車の火室内に重油をバーナーで噴射して火力を高める重油併燃装置が取付けられたため、炭水車後部に重油タンクの取り付けが行われた。現役時代、当機には一度も重油タンクが載せられなかったことから、初めての実装となる。また、炭水車自体の水容量の確保の面から、D51 498やC57 180のように甲板内側に収まりきらず、甲板からやや上に突き出た形となった。このカモフラージュも兼ねて、炭水車前部にはD51 498と同じく増炭板を設置して対応した。当機の外観は、1966年に青森機関区に戻ってきた頃の姿をベースとし、前部標識灯はD51 498やC57 180と若干異なり、大型のLP403形と小型のLP42形の中間の大きさを持つ、旧型電車で使用されていたLP402E形に交換され、前面側左手にはシールドビーム式の副灯LP405形を追加、そしてスノープラウの常備化という、いわゆる東北形重装備を模した復元がなされている。ただし、タブレットキャッチャー装備のために後方下側に移された両サイドのナンバープレートはオリジナルの位置に戻されている。なお、副灯は通常の場合、主灯との切り替えスイッチの作動によって点灯させるが、当機の場合は別回路としたため主灯との同時点灯が可能である。副灯の外枠は現役時代は青森機関区所属時代の晩年は黒色であったが、配置当初はC62 3と同様に銀色に塗られていたため、配置当初の姿に合わせた。新規製造としたスノープラウの常備化についてはD51 498同様、新たに設置されたATS-P形の車上子・機器類の保護とカモフラージュ（目隠し）の目的を兼ねたもので、現役時代に使用されたものと比較するとやや大きめである。スノープラウ後部に取り付けられているステップ（踏み板）は、静態保存時の部品を整備・再使用しており、このため「仙C6120」の刻印が現在も残されている。そのため、東北形のスノープラウは通常ステップと一体型となっているが、当機はこの配慮の関係でステップを別とし、スノープラウの角度も浅くされている。タービン発電機はATS-P装置の電源を確保するため、D51 498と同様に大形の発電機を2基搭載する姿に変わった。ただし、万が一両方ともに故障で使えなくなった場合を考慮し、高崎車両センターを出区し「SLみなかみ」の行程を終えるまでの約8時間（折り返しの際の休憩時間を除く）は運行できるように蓄電池も装備されている。前部標識灯を除き、標識灯・運転室内灯はLED方式に変更し、発電機への負荷を軽減している。炭水車後部連結部には、動輪の車軸の軸受の潤滑油量の影響での焼損などのトラブル防止のために軸受の潤滑油の温度を測定する油温センサーが取付けられており軸受の油温データを伝送し牽引する客車でその温度状況を管理・監視するためのジャンパ栓（KE100）が追加された。D51 498やC57 180にも同様の油温センサーとジャンパ栓が装備されている。冬季の旧型客車牽引を想定して、蒸気暖房用の蒸気管も復元整備が行われ、使用が可能になっている。復活当初1年間は煙室扉のハンドルは現役時代同様に黒色に染めており、国内に現存する煙室扉の黒塗りハンドルの姿を持つ本線用復元大形機としては、C62 3に続き2例目となっており、またあわせて空気圧縮機などにも真鍮の飾り帯を設置せず、あくまでも現役時代の姿を可能な限りまで再現させていた。しかし復活後初めての中間検査A施工後の2012年6月、最初の営業運行となった「SL C61復活記念号」からは、煙室扉のハンドルやシリンダー排気口および点検蓋の磨き出しが行われ金色に（煙室扉ハンドルについては水上駅転車台広場に静態保存されているD51 745から流用）、また同時に空気圧縮機に真鍮の金帯が設置され、このためC57 180やD51 498と同様の復活蒸機の基本スタイルに変更された。ただし、営業運行開始直前の同5月に試運転を行った際、ランボードに白線を入れた特急機仕様になり、「あさかぜ」を模した試運転ヘッドマークを掲出するという特別な演出が行われている。
運転室内の復元後の姿としては、自動給炭機（メカニカルストーカー）が撤去され、焚き口の位置を下げたうえで、付近の運転室床も平坦にされた。これは今回の復元に際し、現在使用されている石炭の品質が良く熱量が高く、現役時代に比べて余裕のある運転のためストーカーが必須となる程の投炭量ではないこと、重油併燃を行うこと、積車ブレーキ率による制動距離を確保するための軽量化、D51 498と同等の運行技術を継承する目的、およびストーカー機器類による投炭作業性悪化の懸念、そしてストーカーそのものの腐食が激しかったため復元が極めて困難だったこと、など様々な要因が考慮されたためである。これにより、当機は現役時代のC61形とは異なる運転台環境となり、滑り止めが施されることになっている床板も、オリジナルの網目板から現在調達できる縞鋼板となった。現在、ストーカー本体は、大宮総合車両センター内で保存されている。このため運転室下部のストーカーエンジンも撤去となったが、その空間の穴埋めも兼ねて、上記の油温センサーの発熱状況を照査するための機器が設置された。機関士席の運転台にも変化が見られ、ATS装置の更新が行われた。当機はD51 498と同等に運行することを目的とし、首都近郊など多くの線区で運行ができるように、現役時代に使用されてきたATS-S形から新形の保安装置であるATS-P形とATS-Ps形に変更・追加装備された。ATS-P形およびATS-Ps形の表示機は加減弁左上に設置され、D51 498の設置状況と比べてATS-P形の表示機は見易い位置にされている。炭水車に積載されるATS-P形用の電源機器は、重油タンクの後部に設置しているD51 498と異なり、当機の電源機器は運転室右後ろに設置され、電源機器の管理のしやすさも考慮された。これは、当機がD51 498とは違う形式の炭水車を使っているためで、当機の炭水車はスペースに比較的余裕があったための電源配置となっている。また速度計は、このATS-P形・ATS-Ps形の新規設置に伴い、これまでの復活蒸機で使用されてきた既存の機械式速度計から、国鉄形電気機関車の速度計を模した電気式速度計に変更した。日本のSLで速度計そのものの種類を一新したのは当機が初めてである。さらにATS-Ps形用の速度検知もテンダー台車に設置されたが、機械式速度計用の従台車回転棒は、見栄え用のダミーとして撤去されずに残された。防護無線装置は復元当初よりデジタル無線を導入しており、D51 498同様前述の重油タンクにアンテナを設置している。ボイラーの水面計は、視認性と安全性を高めた新型の水面計に振り替えられている。
動輪のタイヤ、先輪、従輪、炭水車輪のすべてが新たに製造されている。当機の特徴である振替えられた第二先輪（後述）は、第一先輪と同じプレート輪心形に交換されることになり、見栄えの整備も行われた。外観は従前と同じプレート輪心であるが、その実は現在の鉄道車両と同様の一体圧延車輪であり、考証に沿った見栄えとするため、輪心には、先輪4箇所、従輪3箇所、炭水車輪2箇所の丸穴が開けられている。
ボイラーの最高使用圧力は、腐食の著しかったボイラーが新品に近い形で修繕され、所定の15 kg/cm2 (1470 kPa) で使用されている（D51 498は14 kg/cm2 (1370 kPa) ）。最高運転速度は、本機のブレーキ力（積車ブレーキ率）が、「鉄道に関する技術上の基準を定める省令」第69条で定められる50/100に満たなかったため、本来の100 km/hで運転することはできず、75 km/hまでに制限した。試運転の結果では75 km/hでの非常制動距離が500 m以内であり、規定の600 mを十分にクリアしている。なお、東日本管内での運転限界最高速度は「SLばんえつ物語」の65 km/hとしており、同列車を担当するC57 180が運行する際のダイヤを用いての運転が可能であるが、加速性が若干乏しい影響で1分から2分程度の誤差が生じる（理由は後述）。2011年8月2日に行われた信越本線（高崎 → 横川間）における試運転では、磯部 → 横川間における25 ‰の急勾配区間で空転が多発し、停止寸前まで速度が落ちた。本来、横川 → 高崎間への回送を牽引する最後尾のDD51形はぶら下がりの無動力扱いのはずであったが、この事態によりディーゼル動力を使い当機の後補機となって勾配を登った。これにより、以後急勾配区間では必ず後補機を必要とすることとなった。この事態の背景には、ストーカー設置に伴って設計されていた従輪2軸配置による軸重軽減が、先述したとおりストーカー装置を撤去したため、車軸にかかる重量負担2.8 t分緩和したことによって動輪粘着力低下を助長し、空転を起こしやすい状態になったものと考えられている。ただし、上越線などのような10 ‰程度の緩勾配路線では単機運転が可能となっている。また、条件によっては最大15 ‰まで単機運転で対応も可能となっている。その上で、空転を起こしやすいバランスになっていることから、加減弁の開放具合を控え目にしたり、逆転機を使って絞り率を綿密に調整するなどの技術が必要とされ、結果としてフルパワーでの運転は満足にできず勾配を登るためのトルクが足りなかったことも一因とされている。これらの条件により、発車時を含め本来のパワーを発揮しきれない状況でいる。2011年9月までは「群馬デスティネーションキャンペーン」の目玉を飾るべく、こうした状況の中DD51形の動力を補いながらも信越本線での牽引運転を予定通り行った。それ以降、信越本線でのSL列車はD51 498の牽引が基本運用となっているが、2012年秋から2013年春はD51 498が全般検査による運用離脱で運転ができず、当機が充当される機会が到来するものの、上り勾配となる高崎 → 横川間での牽引ではなくなり、復路の横川 → 高崎間での下り勾配を走る運用で設定されている（往路は牽引力のある電気機関車またはディーゼル機関車による運転となっている）。高崎 → 横川間での牽引は、D51 498が牽引する予定で直前で不具合等が生じ運転が不可能になり、かつ指定券を発売済みの時に限り行われることになっている。