据说64式步枪在测试靶场内的精度表现优于美制M14，但部队实际使用时反映其精度时好时坏，非常不稳定，而且由于结构复杂，故障率比较高，可靠性令人怀疑。
64式步枪是一种导气式操作原理的自动步枪，导气装置和枪机系统可能是受比利时FN FAL或前苏联托卡列夫SVT-40步枪的启发。在枪管上方有一个短行程导气活塞，并装有3位置的气体调节器。闭锁方式为枪机偏转式，和FAL/SVT一样，枪机的闭锁支承面抵在机匣的闭锁支承面上时实现闭锁。拉机柄位于机框右侧，从机匣上方伸出，因此左右手均可操作。
该枪可选择单发或连发射击，保险/快慢机柄位于机匣右侧、扳机护圈上方。击发机构内设计有专门的减速机构，使全自动时的理论射速降到每分钟约450～500发。枪口安装有一个高效枪口制退器，同时也是枪榴弹发射器。
护木上有散热孔，前端下方装有轻型的折叠式两脚架。枪托为实木，有钢制的托底板铰接在枪托上，在利用两脚架进行有依托射击时，可把托底板向上打开形成支肩板，提供更稳定的据枪姿势。
机械瞄具由片状准星和觇孔式照门构成，照门的射程装定可在200～400米范围内调整。照门和准星均可折叠，在武器携行时向下放倒避免钩挂杂物，射击时再竖起来。
64式步枪配用的减装药弹尺寸规格和北约标准弹完全相同，所用的弹头也是和美军的M80普通弹、M62曳光弹等完全一致，仅仅是减少了约10％的发射药，此举可降低后坐力和减少枪口上跳程度。由于发射减装药弹，且射速低，加上枪口制退器的缘故，使得这种7.62 NATO口径步枪在全自动射击很好操控。64式步枪也可以正常发射全装药的北约标准弹，但会大幅度加快枪的磨损。在发射全装药弹时，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。
该枪的枪身较短，不足1米，但配用的刺刀比较长，达254mm，大概是日本人对白刃战重视的结果。
64式步枪可加装光学瞄准镜成为狙击步枪，不过配用的瞄准镜只有2.2倍，这还是从美国M1C/D狙击步枪的M84瞄准镜发展而来，由尼康生产，虽然瞄准镜的射程调节可达800米，但实际上这么小倍率的瞄准镜，在500米以外就已经很难看清楚目标了。瞄准镜使用简单的“T”形分划，没有分划照明功能，因此在夜间难以使用。另外瞄准镜座的设计也不好，只有一个固定螺丝，瞄准镜极易移位。再加上日本自卫队的狙击步枪与瞄准镜集中使用，狙击手没有个人专属的步枪、瞄准镜，使得狙击手无法控制瞄准镜保持于归零状态。在89式步枪刚取代64式步枪的时候，有部分安装瞄准镜的64式狙击型还保留在一线部队中使用。但陆上自卫队从2002年开始换装美国的M24 SWS，这些64式狙击型也逐步淘汰出一线部队。SAT特警队成立初期也曾短暂装备过64式的狙击型，但后来也被M24 SWS所取代。
