От серийного танка Т-54Б модернизированные образцы отличались следующими конструктивными изменениями.

По вооружению:
- увеличенным боекомплектом к пушке Д-10Т — до 43 выстрелов (вместо 34), из которых 18 размещались в двух баках-стеллажах. В баках-стеллажах четыре верхних выстрела имели крепление защелками, а для остальных был сохранен принцип «качалок». Кроме того, дополнительные выстрелы укладывались на месте расположения средней группы топливных баков, устанавливавшихся на серийной машине. В связи с этим изменили конструкцию моторной перегородки и боковины подмоторного фундамента. Всю правую часть перегородки вместо съемной сделали приварной. Для замены выпускного коллектора без выемки двигателя в перегородке предусмотрели специальный люк, закрывавшийся крышкой. Размещение боекомплекта в модернизированной машине по количеству удобно извлекаемых выстрелов из боеукладок (при различных положениях башни) обеспечило преимущества перед серийным танком. Наиболее существенно это проявилось при стрельбе на правый борт, что было связано с использованием для заряжания выстрелов из вновь введенной одиннадцатиместной боеукладки;
- установкой на башне танка, над рабочим местом заряжающего, ЗПУ с 14,5-мм пулеметом КПВТ. Для стрельбы из пулемета использовался коллиматорный прицел ВК-4. Зенитная установка по своим боевым качествам превосходила серийную установку 12,7-мм пулемета ДШК, но уступала по качеству изготовления аналогичной установке конструкции ЛКЗ, выпущенной в 1956 г. Четыре магазина-коробки к пулемету КПВТ располагались (по одной) на крышке аварийного люка, в носовой части машины, снаружи на башне и непосредственно на ЗПУ;
-  иным расположением боекомплекта к спаренному 7,62-мм пулемету СГМТ. До изменения четыре магазина-коробки для этого пулемета размещались на правом борту за стеллажом; после изменения два из них стали укладываться на щитке аккумуляторов, а два других — исключены из комплекта машины, но с сохранением боекомплекта (патроны в количестве 500 шт. находились в штатной укупорке на свободных местах).

По броневой защите:
-  уменьшенной толщиной броневых листов корпуса: крыши над МТО — до 15 мм (вместо 20 мм), среднего листа днища — до 16 мм (вместо 20 мм)¹²⁸, верхнего кормового листа — до 30 мм (вместо 45 мм), нижнего кормового листа — до 20 мм (вместо 30 мм). При этом бронестойкость листов была получена не ниже бронестойкости среднего листа кормы. Указанные изменения толщин броневых листов на надежности крепления узлов и агрегатов не отразились. Для компенсации уменьшения жесткости нижнего, более тонкого, листа кормы ввели ребра жесткости толщиной 12 мм;
-  в системе ППО из-за отсутствия свободного места устанавливались два углекислотных баллона вместо трех. Баллоны располагались в правом углу боевого отделения около перегородки МТО (крепились раздельно: один на днище, другой — на высоте 300 мм от днища). Переключатель-счетчик переместили с правого борта на ребро перегородки МТО, около вентилятора. Термоизвещатели находились только в МТО, где размещались в местах наибольших потоков воздуха. В трубопроводах системы были применены новые малогабаритные соединения. Кроме того, на одном из танков (№5709В166) кнопку заряжающего перенесли с крыши на правый борт, а в качестве трубопроводов вместо медных трубок использовали алюминиевые;
-  для постановки дымовой завесы вместо дымовых шашек БДШ-5 применили систему ТДА, в состав которой входили насосный агрегат (насос МЗН-2 и электромотор МПБ-56), форсунки (монтировались в выпускных коллекторах двигателя) и система трубопроводов с фильтром и обратным клапаном. Выключатель насосного агрегата размещался на щитке электроприборов механика-водителя под предохранительной скобой.

Кроме того, изменились приварки внутри корпуса в связи с перекомпоновкой боевого отделения в части боеукладки и установки баков-стеллажей. Для обеспечения монтажа и демонтажа баков-стеллажей конструкцию стеллажа для аккумуляторных батарей выполнили съемной (крепление сваркой заменили болтовым креплением).

По силовой установке:
-  использованием дизеля А-137-6-Б (В-55) мощностью 426 кВт (580 л.с.) с обогревом верхнего и нижнего картеров и гидромуфтой в приводе к генератору Г-5 вместо дизеля В-54 мощностью 382 кВт (520 л.с). Пуск двигателя производился стартером СТ-16М с реле привода РСТ-15А;
-  топливной системой с увеличенным объемом забронированного топлива с 532 до 680 л (общее количество возимого топлива возросло до 960 л), предусматривавшей последовательную выработку топлива из всех топливных баков без необходимости переключения топливного крана¹²⁹. Для удобства пользования топливораспределительный кран и подкачивающий насос РНМ-1 установили у механика-водителя с правой стороны на ограждении торсионов. Клапан выпуска воздуха из топливной системы кнопочного типа также разместили рядом с механиком-водителем (с правой стороны на листе крыши). В топливную систему, помимо баков-стеллажей, ввели фильтр ТФ-1. Емкость топливных баков обеспечивала танку запас хода по накатанной зимней трассе в пределах 230-410 км, по грязной грунтовой дороге — 144-313 км (на 20-30% больше, чем у Т-54Б);
-  введением в систему смазки двигателя фильтра центробежной очистки масла — центрифуги МЦ-1, а в системе воздухопуска — воздушного компрессора АК-150В для зарядки воздушных баллонов. Фильтр МЦ-1 был включен в ответвлении от потока масла, поступавшего из откачивающих секций масляного насоса через радиатор в масляный бак. Условия работы системы смазки двигателя с центрифугой стали значительно лучше, чем с фильтром тонкой очистки типа АСФО, но место ее расположения не обеспечивало легкого доступа для обслуживания.

По трансмиссии:
-  использованием двухрядных комбинированных бортовых редукторов, которые повысили работоспособность агрегатов трансмиссии. Они имели разъемную шестерню с ведущим валом, что обеспечило демонтаж ПМП без снятия коробки передач; съемный эпицикл, изготовленный из стали 37ХС; новое уплотнение ведомого вала; увеличенный фланец крышки бортового редуктора, в связи с чем отпала необходимость установки уплотнительного кольца и измененную пробку крепления шестерни ведомого вала для обеспечения ее монтажа и демонтажа штатным приспособлением. Бортовые редукторы были заправлены бесконсталиновой смазкой, изготовленной Уралвагонзаводом;
-  введением новой облегченной муфты, соединявшей входной редуктор с главным фрикционом. При этом конструкция самой муфты была упрощена и устранены случаи ослабления болтов, крепивших зубчатку. Однако установка новой муфты сделала невозможной замену дисков главного фрикциона без демонтажа входного редуктора;
-  применением тормозных колодок ПМП, изготовленных из специального маслотного чугуна (вместо чугуна СЧ15-82), обеспечивавшего их повышенную износоустойчивость, а также дисков трения главного фрикциона и ПМП, впадины зубьев которых были подвергнуты дробеструйной обработке для упрочнения поверхностного слоя и устранения трещин;
-  установкой в сервомеханизме главного фрикциона двух сервопружин вместо одной, что позволило снизить усилие на его педали при выключении.

Кроме того, для более точной регулировки сервомеханизма на педальном валике ввели две стрелки, с целью уменьшения износа и снижения усилий в приводе применили хромирование шеек валика. Для облегчения сборки и повышения надежности работы механизма блокировки изменили упор блокировки педали главного фрикциона с горным тормозом, что также позволило улучшить конструкцию самого привода.

По ходовой части:
- увеличенным со 142 до 165 мм динамическим ходом опорных катков за счет увеличения угла закрутки торсионного вала. Для обеспечения работы подвески с увеличенным углом закрутки торсионного вала рычаг гидроамортизатора был выставлен под углом 106°±3°45' (вместо 99°30'±3°45' в серии), а рычаг соединения гидроамортизатора с балансиром удлинен до 185 мм между осями отверстий (у серийной машины — 155 мм). При этом максимальное напряжение скручивания в торсионном валу было повышено до 976,1 МПа (9950 кгс/см²). Однако в процессе проведения испытаний увеличение хода катка ощутимых результатов не дало вследствие усадки торсионных валов. Кроме того, увеличение хода катка было выполнено без учета его кинематики, что привело к появлению ряда дефектов в ходовой части в результате ударов об опору. Тем не менее средние скорости движения по грязным грунтовым трассам возросли до 11-18 км/ч, по зимним трассам — до 13-24 км/ч (на 3-10% больше, чем у Т-54Б);
-  использованием штампованных венцов ведущих колес, изготовленных из стали 43ПСМ с закалкой рабочих поверхностей зубьев венцов ТВЧ, для увеличения их работоспособности;
-  применением в креплении венцов к дискам ведущих колес гаек без прорезей для устранения забоин резьбы болтов и их стопорения с помощью пластинчатых шайб;
-  установкой опытных опорных катков. На танке №5709В166 опорные катки имели грузошины с бандажами, изготовленными из сталей марок 2 и НЛ-2, с приклеенным резиновым массивом. В ходовой части танка №5709В137 наряду с опытными опорными катками использовались серийные опорные катки¹³⁰.

По электрооборудованию:
Танки были оборудованы под монтаж приборов инфракрасной техники (ТВН-2, ТКН-1 и ТПН-1), но сами приборы не устанавливались и их испытания не проводились. Для выдерживания заданного направления при движении в условиях затрудненного ориентирования и при подводном вождении перед механиком-водителем на лобовом листе корпуса (за смотровыми приборами) монтировался гирополукомпас ГПК-48. На башнях машин приваривался кронштейн для крепления дополнительной фары. На испытаниях (на танке №5709В137 после 1525 км пробега и на танке №5709В166 после 1667 км пробега) с целью повышения надежности работы реле РПБ-5 в схеме стабилизатора основного оружия СТП-2 представителями ЦНИИ-173 (на основании совместного решения ГАУ и ГБТУ) были установлены искрогасящие контуры ДГЦ-24 и шунтирующие сопротивления 1 кОм.

Несмотря на увеличение боекомплекта, запаса возимого топлива и установку КПВТ, боевая масса обоих танков осталась в переделах ТТТ на Т-54А. Боевая масса (без приборов инфракрасной техники) составляла: танка №5709В137 - 36206 кг, танка №5709В166 - 36186 кг. Это было достигнуто за счет уменьшения толщины брони листов днища, крыши и кормы.

По результатам испытаний двух опытных образцов танка Т-54БМ в серийное производство рекомендовалось внедрение следующих мероприятий:
-  установка 14,5-мм зенитного пулемета КПВТ;
-  увеличение боекомплекта с 34 до 43 выстрелов;
-  применение двигателя мощностью 426 кВт (580 л.с.) с обогреваемыми картерами, центрифугой МЦ-1 и топливной системы с увеличенной до 960 л емкостью баков;
-  комбинированные бортовые редукторы;
-  подвеска с повышенным (со 142 до 165 мм) динамическим ходом опорных катков;
-  термодымовая аппаратура;
-  использование воздушного компрессора АК-150 для зарядки воздушных баллонов системы воздухопуска двигателя;
-  гирополуколмпас ГПК-48 для подводного вождения танка.

Эти изменения повышали боевые и эксплуатационные характеристики танка, но при условии устранения всех выявленных на испытаниях недостатков. Кроме того, к внедрению в серийное производство были рекомендованы все другие конструктивные мероприятия по ряду узлов и агрегатов, направленные на повышение надежности их работы, уменьшение трудоемкости изготовления или обусловленные необходимостью осуществления основных изменений, показавших положительные результаты. Все выявленные замечания и недостатки предлагалось устранить в процессе серийного производства танка Т-55 с целью повышения его надежности.

¹²⁸ На одном из танков все листы днища имели толщину 16 мм.

¹²⁹ Последовательное включение баков обеспечило лучшую выработку топлива, но имело один существенный недостаток: в случае повреждения баков-стеллажей или среднего бака топливо из среднего бака и наружных топливных баков или, соответственно, только из наружных баков использовать было нельзя.

¹³⁰ Из-за некачественной приклейки резины к бандажам выявить эффективность предлагаемых изменений в процессе испытаний не представилось возможным.