Детальную разработку проекта и рабочие чертежи выполнил коллектив конструкторов .
В отличие от паровозов серии Э, имевших . Для уменьшения зарастания элементов накипью и их прогорания вместо перегревателя системы С.М. Чусова сразу же был установлен двухоборотный пароперегреватель Шмидта типа Ж-241. Шуровочное отверстие топки было спроектировано из расчета установки механического углеподатчика.
Машина паровоза серии СО имела такие же размеры, как и машина паровоза серии Э (диаметр цилиндров 650 мм, ход поршня 750 мм), но отличалась от неё конструкцией шатуна, спарников и наличием усиленных параллелей и пальцев кривошипов. В экипажной части были использованы колесные пары (диаметр колес 1320 мм), буксы, буксовые направляющие и частично рессорное подвешивание паровоза серии Э, усилена была лишь ось ведущей колесной пары. Передняя одноосная бегунковая тележка Бисселя была выполнена взаимозаменяемой с передней тележкой паровоза серии ФД. Рама осталась листовой с толщиной полотен 32 мм. Относительно слабая экипажная часть паровоза серии СО, мощность которого значительно повысилась по сравнению с паровозом серии Э, являлась, как выяснилось впоследствии, наиболее уязвимым местом паровоза.
Общая масса паровоза серии СО в рабочем состоянии составляла 96,5 тонн, сцепная масса 87,5 тонн, средняя нагрузка от движущей колесной пары на рельсы была около 17,5 тс. Это послужило основанием ставить после буквенной серии СО цифру 17 — СО17. Конструкционная скорость паровоза была принята первоначально 65 км/ч, затем была повышена до 70 км/ч, а в — до 75 км/ч. Испытания паровоза серии СО на экспериментальном кольце Научно-исследовательского института реконструкции тяги показали, что этот локомотив более экономичен и может водить составы массой на 6—7 процентов больше и со скоростью на 30 — 35 процентов выше, чем паровоз серии Э.
