Hình dạng khí động học của Su-24 tương tự như máy bay chiến đấu cùng thời MiG-23 'Flogger', mặc dù về thực chất thì Su-24 lớn hơn. Nó có cánh ở nửa phía trên của thân, cánh của Su-24 có một đoạn nhỏ gắn cố định trên thân, còn phần cánh còn lại có thể chuyển động. Phần cánh còn lại có thể di chuyển đên 4 góc khác nhau: 16° để cất cánh và hạ cánh, 35° và 45° cho bay tuần tiễu tại những độ cao khác nhau, và 69° cho tỷ lệ tối thiểu giữa cánh và diện tích cho sự lao tới ở độ cao thấp. Cánh cụp cánh xòe cung cấp khả năng thực hiện thao tác STOL hoàn hảo, cho phép tốc độ hạ cánh đạt 230 km/h (143 mph), thậm chí thấp hơn cả Su-17 'Fitter' dù Su-24 có trọng lượng cất cánh lớn hơn nhiều. Lực nâng cánh cao cung cấp một sự vững chắc ổn định khi bay và hạn chế tối đa các rung động khi có gió mạnh, nhưng theo báo cáo thì Su-24 có phần nào hơi khó bay.

Những lo sợ ở Phương Tây về Fencer có lẽ là từ động cơ phản lực hiệu quả của Su-24, với động cơ hoạt động hiệu quả đã khiến cho tầm hoạt động của Su-24 tăng lên. Thật ra, Su-24 có 2 động cơ phản lực đốt lần hai loại Saturn/Lyulka AL-21F-3A có công suất 109.8 kN (24.700 lbf) mỗi chiếc. Những động cơ này đưa đến một hiệu suất hoàn hảo, nhưng lại tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn những động cơ khác. Nó cũng khá đắt để sản xuất và bảo dưỡng.

Su-24 có 2 khe lấy không khí được thiết kế ở 2 bên thân, không giống như Su-17 ở mũi. Fencer-A có những khe lấy không khí có thể thay đổi được độ dốc, cho phép Su-24 đạt tốc độ tối đa là 2.320 km/h (1.440 mph), Mach 2.18, trên độ cao là 17.500 m (57.400 ft). Vì Su-24 được sử dụng trong các nhiệm vụ tầm thấp, nên những cơ cấu truyền động để thay đổi độ dốc ở khe lấy không khí đã được loại bỏ để giảm trọng lượng và bảo dưỡng. Điều này không có hiệu quả ở hiệu suất bay ở độ cao thấp, nhưng tốc độ cực đại tuyệt đối và độ cao đạt được ở mức Mach 1.35 và 11.000 m (36.100 ft). Những chiếc Fencer-A đầu tiên có một cái hộp ở sau thân máy bay, và nó nhanh chóng bị thay thế trong sản xuất bằng một bộ phận chứa dù ở phía sau, bộ phận dù sẽ được bung ra khi máy bay hạ cánh để giảm bớt lực kéo. Máy bay cũng được sửa lại để tăng thêm 3 chiếc ăng-ten đặt cạnh nhau ở mũi, một bộ phận hãm bằng dù cố định, và một bộ nạp không khí ở cánh đuôi đứng. Máy bay cải tiến này được NATO gọi với tên 'Fencer-B', nhưng không xứng đáng là một tên gọi Xô Viết mới.

Su-24 có 2 ghế được đặt cạnh nhau (giống như F-111, 1 phi công và một sĩ quan điều khiển hệ thống vũ khí. Hệ thống điện tử hiện đại nhất từng được sử dụng ở Liên Xô, với một hệ thống tích hợp đầu tiên của Liên Xô, và hệ thống máy tính hóa dẫn đường/tấn công. Những chiếc Su-24 đầu tiên mang vũ khí tấn công và radar địa hình riêng biệt, cùng với một bộ dẫn đường Doppler.

Máy bay có thể hoạt động cả ở chế độ thủ công, bán tự động (phi công thực hiện các lệnh của máy tính), và hoàn toàn tự động. Các nhà thiết kế đã tạo ra một tổ hợp độc đáo để giải quyết các nhiệm vụ chiến lược — chiến thuật, kết hợp cả các chức năng của máy bay cường kích, trinh sát và gây nhiễu. Su-24 có thể thực hiện các động tác nhào lộn trên không, cơ động để tránh hỏa lực đối phương, đây là một khả năng vượt trội so với các máy bay cường kích cũ hơn như Ilyushin Il-28, Su-17.

Vũ khí trang bị của Su-24 là một pháo đơn bắn nhanh GSh-6-23 với 500 viên đạn, gắn ở dưới bụng. Không giống như MiG-27 'Flogger-J' đặt pháo ở bên ngoài, Su-24 có một cửa chớp để khi không sử dụng súng thì đóng lại. Nó có 8 điểm treo vũ khí (2 dưới phần khớp quay cánh, 2 dưới cánh ngoài và 4 dưới thân máy bay) có thể mang đến 8.000 kg (17.600 lb) vũ khí, bao gồm các vũ khí hạt nhân khác nhau.

Do được thiết kế là máy bay cường kích nên khả năng không chiến của Su-24 là tương đối yếu, nó thường được máy bay tiêm kích bay kèm để hộ tống. Trong trường hợp không có tiêm kích hộ tống, Su-24 có thể mang theo 2 hoặc 4 tên lửa dẫn đường hồng ngoại tầm ngắn R-60 (NATO AA-8 'Aphid') để tự vệ. Tuy nhiên do tầm bắn của AA-8 khá ngắn nên Su-24 được khuyến cáo chỉ nên giao chiến với máy bay vận tải, cường kích hoặc trực thăng chứ không nên tìm cách không chiến với máy bay tiêm kích đối phương.

Những chiếc Su-24 ban đầu chỉ có hệ thống chống gây nhiễu điện tử yếu ớt, với nhiều chiếc thuộc phiên bản 'Fencer-A' và 'Fencer-B' bị hạn chế với radar cảnh báo đã cũ Sirena không có hệ thống phân tích. Những chiếc Su-24 sản xuất sau này có những radar cảnh báo thông minh, cảnh báo tên lửa và trang bị EMC tích cực, với những ăng-ten tam giác trên cạnh của đầu vào không khí và đỉnh của cánh đuôi đứng. Những chiếc Su-24 này có tên gọi là 'Fencer-C', dù lần nữa nó không có một tên gọi riêng biệt ở Liên Xô. Một vài chiếc 'Fencer-C' và Su-24M 'Fencer-D' sau đó có cánh lớn hơn nên được trang bị những mảnh kim loại gây nhiễu hoặc pháo sáng gây nhiễu.

Trong thời kỳ Chiến tranh Lạnh, Su-24 là phản ứng của Liên Xô đối với việc Mỹ nghiên cứu chế tạo máy bay cường kích F-111 và châu Âu trang bị máy bay chiến đấu ném bom Panvia Tornado.