64式步枪採用日本传统的步枪外形和枪机机构。闭锁方式为枪机偏转式，拉机柄在机匣的上方，左右手均可操作。有3位置气体调节器，活塞筒和活塞位于枪管上方；塑胶护木上有散热孔，其前端下方装有摺叠式两脚架。枪身短，全长990mm，但刺刀长度却达254mm，比美国现装备的M16步枪刺刀长75mm。

该枪採用直形木製枪托和枪口制退器，单发度极好。由于理论射速较低，只有500发/min，连发射击时命中机率也很高。再者，枪管寿命高达37000发，这在步枪中是少有的。

该枪装有可在200～400m内调整的準直式瞄準具，觇孔照门和準星可摺叠，武器携行时向下摺叠，射击时再立起来。

该枪发射7．62mm减装药弹，也可发射北约全装药弹，但必须调节气体调节器旋钮以减小火药气体量和施加于活塞头的压力