HXD1D型电力机车是交—直—交流电传动的单相工频交流电力机车，机车主电路结构与HXD1C型电力机车基本相同，由主变压器、牵引变流器、牵引电动机三大部分构成。接触网导线上的25千伏工频单相交流电电流，经受电弓、主断路器进入机车后再输入主变压器，交流电经过主变压器次边的6个牵引绕组降压后，为二组牵引变流器供电。单相交流电经过四象限脉冲整流器整流为直流电，然后向电压为1800伏的中间直流回路供电，再由逆变器转换成频率和电压可变的三相交流电输出，每组逆变器向一台异步牵引电机供电，实现机车的轴控驱动，使牵引电动机产生转矩，将电能转变为机械能，经过齿轮的传递驱动轮对。
每台机车装有两台牵引变流器，每台牵引变流器由三重四象限整流器、一个中间直流回路和三个PWM逆变器组成，每台牵引变流器向一个转向架上的三台牵引电机供电，而每个牵引电动机由各自的逆变器供电；功率控制模块采用与HXD1C型机车相同的水冷IGBT变流模块（3300V/1200A），中间直流电压为1800伏。牵引电动机采用鼠笼式三相异步牵引电动机，额定功率为1225千瓦，冷却方式为强迫通风，采用直接转矩控制（DTC）。机车并装载了两台列车供电柜，由主变压器的列车供电绕组供电，通过相控整流电路整流为600伏直流电，可向列车提供空调、采暖、照明等电源，额定输出功率为2×400千瓦。 机车走行部为两台完全相同的三轴转向架，是在出口乌兹别克斯坦的O'Z-Y型电力机车的转向架基础上改进设计而成，采用旁承弹簧承受车体载荷、“目”字形焊接钢结构的无摇枕不等轴距转向架。一系悬挂采用螺旋弹簧配垂向油压减振器、单侧轴箱拉杆；二系悬挂采用高挠螺旋圆弹簧及橡胶垫，配垂向、横向、抗蛇行油压减振器。驱动装置在中国铁路机车首次采用弹性架悬方式，取代了以往韶山8型、韶山9型、韶山7E型准高速电力机车所采用的刚性架悬方式。基础制动装置为轮盘制动；停放制动装置为单元制动器。
