Кормовая часть корпуса аналогична Т-44. Лобовая часть имела прямоугольную форму; лобовые бронелисты с целью увеличения снарядостойкости установлены под большими углами к вертикали. Верхняя лобовая деталь корпуса монолитная, толщиной 120 мм с углом наклона к вертикали 60°; толщина крыши и днища корпуса в районе отделения управления 30 и 20 мм соответственно. Днище для увеличения прочности имело корытообразную форму. Бортовые листы устанавливались вертикально. Толщина брони бортов корпуса 90 мм, кормы 45 мм.
Рабочее место механика-водителя было расположено в отделении управления слева от продольной оси корпуса. Над креслом механика-водителя, в верхнем бронелисте корпуса, имелся подвижной люк. За его сиденьем в днище располагался люк запасного выхода, открывающийся внутрь танка. В положении «по-боевому» (с закрытым люком) обзор местности осуществлялся с помощью двух призматических наблюдательных приборов МК-1К. Правее места механика-водителя в носовой части танка располагались передние топливные баки, аккумуляторные батареи и основная часть боекомплекта пушки в стеллажной укладке на 20 выстрелов.
Башня кругового вращения была установлена в средней части корпуса. В ней размещались три члена экипажа: командир и наводчик — слева, заряжающий — справа. По сравнению с башней танка Т-44 башня танка Т-54 претерпела значительные изменения, связанные прежде всего с установкой новой 100 мм пушки Д-10Т в подвижной броневой маске. Башня несколько выходила за габариты корпуса, поэтому по его бортам были сделаны местные расширения. Толщина литой брони лобовой части башни 200 мм. Привод разворота башни — электрический (с управлением от командира и наводчика), а наведения орудия в вертикальной плоскости — ручной. Из-за стремления получить в Т-54 минимальный забронированный объем в сочетании с большими размерами качающейся части орудия Д-10Т даже, несмотря на увеличенный диаметр башни (1825 мм в свету), экипаж в боевом отделении был стеснен, отсутствие вращающегося подвесного полика сильно затрудняло работу заряжающего. При частой стрельбе была велика загазованность боевого отделения даже при наличии специальных вентиляторов: нагнетающего — установленного на крыше башни; вытяжного — на перегородке силового отделения.
Танковая пушка Д-10Т имела длину 1,61 м и массу 1948 кг. Дальность прямого выстрела бронебойным снарядом оставляла 1000 м, осколочно-фугасной гранатой — 1100 м (при высоте цели 2 м). Максимальная дальность стрельбы — до 14600 м. Бронебойный снаряд на дальности 2000 м пробивал вертикально расположенную броню толщиной 155 мм. Боевая скорострельность составляла до 7 выстрелов в минуту. Углы вертикального наведения пушки — от -5° до +18°. На пушке устанавливался прицел ТШ-20.
Справа от орудия, в маске пушки, монтировался 7,62 мм пулемет СГ-43, еще два 7,62 мм курсовых пулемета СГ-43, были размещены по каждому борту в броневых ящиках на надгусеничных полках.
Внутри ящика у пулемета имелись две специальные коробки с лентами по 250 патронов каждая. От стреляных гильз их освобождали по израсходовании обеих лент. Укладка лент в ящики и заряжание пулеметов производились снаружи машины. Установка пулеметов на боевой взвод осуществлялась механиком-водителем с помощью специального привода, находившегося на левом борту корпуса отделения управления. Над люком заряжающего на турели, аналогичной устанавливаемой на танках ИС-3 и ИС-4, монтировался зенитный пулемет ДШК калибра 12,7 мм с коллиматорным прицелом К10-Т (углы вертикального наведения пулемета от -4,5 до +82°). Боекомплект танка включал 34 унитарных 100 мм выстрела с осколочно-фугасными и бронебойными снарядами (20 выстрелов размещались в отделении управления, 14 — в боевом отделении), 200 патронов к 12,7 мм пулемету ДШК и 4500 патронов к СГ-43 калибра 7,62 мм.
Обзор по горизонту командиру обеспечивали прибор наблюдения ТПК-1 и четыре призменных прибора, установленных по окружности крышки люка. Благодаря такому расположению, командиру танка был обеспечен круговой обзор без поворота командирской башенки. У наводчика кроме прицела ТШ-20, имелся перископический прибор наблюдения МК-4, такой же прибор устанавливался и у заряжающего.