ЦКБ-54 - двухмоторный цельнометаллический свободнонесущий моноплан с низкорасположенным крылом. Вся обшивка планера гладкая несущая. Стрелково-пушечное вооружение закрыто прозрачными экранами.

Фюзеляж. Поперечное сечение фюзеляжа - овальное Каркас - из лонжеронов стрингеров и шпангоутов. Шпангоуты применены двух типов: обычные из П-образных профилей, усиленные - цельноштампованные или клепаные - из профилей и листа Усиленные шпангоуты коробчатого сечения использовались в местах приложения больших нагрузок. Замкнутый профиль имели и рамы жесткости под фонарь, турель, люки, места подвески бомб и др.

Обшивка фюзеляжа произведена в основном из дюралюминия толщиной 0,6- 1 мм. Обшивочные швы выполнены заклепками с чечевичной головкой. По обшивке и каркасу преобладали заклепки диаметром 3 мм и 2,6 мм.

Фюзеляж делился на четыре части: кабину штурмана, кабину пилота, бомбоотсек и хвостовой отсек, который заканчивался коком. На втором экземпляре машины, переделанном из серийного бомбардировщика более позднего выпуска, стоял широкий фонарь кабины пилота без откидной дверцы на левом борту фюзеляжа.

Крыло. В плане оно имело трапециевидную форму с закругленными законцовками. Крыло на первом экземпляре состояло из трех частей: центроплана и двух консолей; второго - из пяти; ценроплана, двух моторных отсеков и двух консолей. Центроплан имел два лонжерона, 11 нервюр и стрингеры. Лонжероны - клепаные фермы из стальных и дюралюминиевых элементов. Нервюры клепались из труб и профилей. В консолях имелось по два ферменных лонжерона, 26 нервюр и стрингеры.

В лонжеронах использовались хромансилевые стальные трубы с толщиной стенок до 4 мм, соединенные сваркой и клепками. Ферменные лонжероны консолей крыла состояли из четырех частей каждый, входивших одна в другую телескопически. Соединение их в целый лонжерон - заклепками.

Нервюры крыла ферменные: полки - U-образные профили, раскосы - трубы 20x18 мм на кницах. Стрингеры проходили сквозь полки нервюр, поскольку точность изготовления нервюр не всегда была на высоте, использовались компенсаторы для выдерживания профиля. Полки нервюр крепились к лонжеронам посредством сварных узлов. Вся клепка каркаса крыла - внутренняя. Крыло было конструктивно сложным, очень трудоемким, однако прочным и достаточно легким.

На задней кромке консолей навешивались элероны. Их каркас состоял из штампованных дюралюминиевых лонжеронов и нервюр, поверх которых шла дюралюминиевая обшивка толщиной 0,6 - 1 мм. Элероны имели весовую компенсацию. На правом элероне стоял триммер, на левом крыле второй машины - флеттнер.

У задней кромки центроплана и примыкающей к нему части консолей устанавливались посадочные щитки типа Цапп, состоявшие из четырех секций.

Оперение. Стабилизатор и киль - цельнометаллические свободнонесущие. Рули имели металлический штампованный каркас и полотняную обшивку Рули высоты и направления снабжались весовой компенсацией. На рулях стояли триммеры, а на рулях высоты второй машины их дополнили флеттнерами. Киль выполнялся заодно с фюзеляжем. Консоли стабилизатора крепились к фюзеляжу болтами. Стыки закрывались зализами.

Силовая установка. На первом экземпляре ЦКБ-54 стояли 14-цилиндровые звездообразные моторы воздушного охлаждения М-85 взлетной мощностью 760 л.с. с винтами фиксированного шага. На второй машине стоял форсированный вариант мотора - М-87А с винтами изменяемого шага - ВИШ-3. Горючее размещалось в 14 баках общей емкостью 3000 - 3100 кг, находящихся в центроплане (два бака по 510 кг), в носке центроплана (два бака по 180 кг), в мотоотсеках (два бака по 390 кг), в носке консолей (шесть баков по 830 кг) и в двух междулонжеронных консольных баках (1120 кг). Маслосистема включала два верхних маслобака емкостью по 96 кг и два нижних - по 64 кг каждый, расположенных в мотоотсеках, два кольцевых маслорадиатора типа "Айваз", находившихся перед мотором в капоте (на первом экземпляре. Восьмидюймовые сотовые маслорадиаторы на второй машине размещались в носке центроплана между третьей и четвертой нервюрами. Масло из нижнего маслобака помпой по трубопроводу подавалось в мотор. После прохождения через мотор оно стекало в отстойник, из него отсасывалось в радиатор, а далее поступало в верхний бак, из которого перетекало по трубопроводу в нижний. Количество заправляемого масла не превышало 145 кг на каждый двигатель.