照例先发图
1969年9月26日，第一台新一代国产4000马力大功率内燃机车试制成功并出厂，被铁道部正式命名为东风4型内燃机车，车号2001。然而，在东风4-2001号车投入牵引测试后柴油机和牵引电机相继暴露出大量的质量和技术问题，导致整台机车长期质量不过关，无法投入干线运营，只能长时间的“趴窝”进行技术改进。
东风4-2001号车出厂存档照
鉴于东风4型内燃机车迟迟不能定型，而当时国内对大功率内燃机车的需求缺口较大，铁道部被迫动用宝贵的外汇向法国阿尔斯通公司进口了50台ND4型内燃机车配属给北京铁路局丰台机务段以解燃眉之急。
ND4型内燃机车
1972年，东风4-2001号车的故障基本被解决，勉强达到了上路的标准；大连机车车辆厂再接再厉，对原有的设计图纸进行了大幅度的修改和优化，于1973年4日试制成功了东风4-2002号机车，连同东风4-2001号车一起交付给北京内燃机务段进行牵引旅客列车的十万公里考核。
东风4-2001号车出厂留档照
东风4-2002号车出厂留档照
作为客运型机车这两台机车是基本合格的，可是当时中国铁路对大马力货运型内燃机车的需求远远高于客运型内燃机车的需求，不可能砸那么多资源下去仅仅搞出一种只能拉客车的机车头。因此，大连机车车辆厂又马不停蹄地在东风4-2002号车的技术基础上开始了东风4货运型内燃机车的试制工作。
1974年6月，奠定了东风4型内燃机车最终形象的东风4-0001号车试制成功，出厂后交付给北京铁路局丰台机务段投入运用考核，担当京山线丰台西至南仓区间的货物列车牵引任务，表现良好。
东风4-0001号车出厂照
1974年9月间，东风4-0001号车曾改装客运传动比的转向架，在京山线丰台至石家庄区间段，京承线丰台至洞庙河区间段进行牵引旅客列车的测试，曾在牵引15节客车车厢的情况下跑出过每小时130公里的时速，表现抢眼。测试结束后，东风4-0001号车又改回货运传动比的转向架，继续在京山线进行牵引货物列车的考核。
牵引旅客列车的东风4-0001号车
丰台机务段的“三八女子包乘组”成员和东风4-0001号机车的合影
至1974年年底，鉴于东风4-0001号车完成了10万公里的牵引测试，表现稳定。1975年1月，东风4-0001号车在北京环形铁道由铁科院主持进行了牵引热工性能试验，试验结果显示机车主要性能都达到了设计任务书规定的指标。于是铁道部于1975年2月批准东风4型内燃机车正式投入批量生产，大连机车车辆厂正式停产东风型内燃机车，转产东风4型内燃机车。
出厂的东风4-0040号车
可是好景不长，1975年生产的第一批东风4型内燃机车在配属给丰台机务段后不到半年就因为柴油机连杆螺栓断裂、连杆瓦盖断裂、连杆结合齿断裂、锻铝组合式活塞裂纹、配气齿轮打牙、凸轮轴剥离、滑油泵断轴等故障导致22台机车在运行过程中发生过必须停车检修的“机破”故障，和同在丰台机务段运营的ND4型内燃机车以故障率低著称的良好表现形成鲜明对比。破了大防的丰台机务段职工给这批东风4编排了一段调侃意味十足的顺口溜：“东风4，东风4，从东单跑不到西四。京广线要瘫痪，东风4要完蛋。”
同框的丰台机务段的东风4和ND4型内燃机车
东风4的拉胯表现让铁道部大为光火，下令组织产品质量攻关。大连机车车辆厂重点负责对16V240ZJ型柴油机进行技术改进，大连厂组织技术骨干针对16V240ZJ型柴油机连杆螺栓和连杆盖断裂故障进行改进材料强度，更改气缸排气总管的设置，加设排气稳压箱的方法有效改善增压系统的稳定性，并降低柴油机低工况时的燃油消耗率。经过改进的柴油机被定型为16V240ZJA型柴油机。1976年6月，第一台装用16V240ZJA型柴油机的东风4-0109号车出厂，经试用后认为柴油机原有的问题得到解决，此后批量生产的速度明显提速，至1977年年底已经出厂机车223台，广泛配属在全国九个铁路局下属的十四个机务段运用。
大连机车车辆厂的东风4生产线
北京内燃机务段配属的东风4型机车
济南机务段配属的东风4型机车
但是，更严重的问题接踵而至，16V240ZJA型柴油机从1976年年底开始又出现了机体裂纹事故，到1978年末已有多达143台柴油机出现机体裂纹，占当时已出厂东风4型机车总数的41.6%，造成大量机车在机务段车库内“家里蹲”，引起各个使用东风4的机务段广泛的不满。
于是，大连机车车辆厂再度对16V240ZJA型柴油机开展技术改进，在保持装车功率3300马力不变的情况下，将标定转速由原来每分钟1100转降为每分钟1000转，空转转速由原来每分钟500转降到每分钟430转，以降低柴油机零部件的机械负荷。1977年11月，经过改进的16V240ZJB型柴油机试制成功并经500小时台架耐久试验后证明表现良好。1978年3月，铁道部在大连召开了16V240ZJB型柴油机鉴定会议，批准B型柴油机初步定型，可以投入小批量生产。
1978年10月，第一台安装16V240ZJB型柴油机的东风4-0282号车出厂，随后该车配属丰台机务段在丰沙线丰台西至张家口区间段进行运用试验，至1979年年底总共运行了21万公里后回厂进行检查，柴油机经拆检观察显示性能和主要零部件磨耗情况良好。
1979年7月至1980年6月，大连内燃机车研究所对一台编号为0503的16V240ZJB型柴油机进行了2000小时的耐久试验，表现良好。随后在1980年至1981年之间，第一批生产出来的16V240ZJB型柴油机优先对装用已经产生机体裂纹的16V240ZJA型柴油机的115辆机车进行主机更换，保障了东风4型机车的继续生产。
东风4型内燃机车主体结构采用双司机室、内走廊式、全钢焊接结构的框架式侧墙承载车体，车体两端设有同等功能的司机室，可双向操纵机车。机车从前到后分别为第一司机室、电气室、动力室、冷却室、第二司机室五个部分，其中电气室 、动力室和冷却室顶部均设计成活动顶盖，以便拆装车内部件。
东风4型内燃机车总布置图
东风4型内燃机车的动力系统为一台16V240ZJ型16缸四冲程V型直列式涡轮增压中速柴油机，小时功率为4000马力（2980千瓦），持续功率为3600马力（2650千瓦），装车功率为3300马力（2430千瓦）。机车采用交—直流电传动装置，柴油机通过钢片半刚性联轴节驱动一台交流同步发电机发出三相交流电，经由硅二极管组成的三相桥式整流装置整流为直流电后，输送给六台并联连接的直流牵引电动机，通过传动齿轮驱动轮对。
16V240ZJ型柴油机
机车走行部为两台相同的无导框式三轴转向架，轴式为CO-CO式，轮式为0-6-6-0，机车采用EL-14型空气制动机，可以单独制动机车或同时制动机车和列车，可以实现每小时100公里的时速。
东风4的转向架
大连机车车辆厂的东风4型内燃机车的生产从1974年开始至1984年转产东风4B型内燃机车为止，总共生产了801台机车，其中货运型770台，车号从0001号至0770号；客运型包括2001和2002两台原型车在内总共生产了31台车号从2001号至2031号。
此外，曾经试制成功东方红4型内燃机车（东方红4-0002号车）和16V200Z型柴油机的资阳内燃机车厂于1983年3月26日奉铁道部之命根据大连机车车辆厂提供的全套图纸开始试制东风4型内燃机车，并在12月25日成功试制出资阳厂生产的第一台东风4型机车东风4-3001号车，至1984年转产东风4B型机车之前，资阳厂总共生产了42台东风4型内燃机车，车号从3001号至3042号，使得东风4型内燃机车的总产量定格为843台。
资阳厂试制的东方红4型内燃机车
大多数早期生产的东风4型机车在后来返厂厂修时均按照东风4B型内燃机车的标准进行了改造，包括更换成16V240ZJB型柴油机、联调切控阀、增压器和联轴节等部件。
1977年2月，配属北京铁路局丰台机务段的东风4-0002号机车被命名为“毛泽东号”，替换了上一代的解放1型304号蒸汽机车成为第二代“毛泽东号”机车。该车服役至1991年8月摘牌，由东风4B型1893号机车继承“毛泽东号”的车牌。
同框的第一代和第二代毛泽东号机车
在服役过程中，东风4型内燃机车遭遇到一系列事故，其中有一起事故最为出名：1991年6月13日凌晨4时27分，济南铁路局济南机务段的东风4-0528号车牵引北京开往苏州的109次旅客列车运行至津浦线新马桥至曹老集区间段K816+920M处时因为司机在运行端司机室打盹睡觉，副司机离岗在非运行端司机室睡觉，加上机车配备的自动停车装置作用不良，导致109次旅客列车和前面行驶的1329次货物列车发生追尾冲突。事故导致司机和另外二十八名旅客和列车员受轻伤，副司机则在睡梦中被活活挤死在非运行端司机室的座位上。东风4-0528号机车小破，客车报废2辆，货车报废2辆、中破1辆，小破2辆，津浦线中断正线行车18小时37分钟，构成一起行车重大事故。
从2006年起，东风4型内燃机车开始退役，一部分状态较好的被无偿援助给朝鲜民主主义人民共和国，在朝鲜铁路系统中，东风4型机车被定型为朝鲜铁道200型柴油机车，机车编号为내연2xx（“내연”意为“内燃”），大多数配属咸兴铁道局咸兴机车队，担当货物列车和旅客列车的牵引任务。
援助给朝鲜的东风4型내연209号车
援助给朝鲜的东风4型내연208号车
在国内，许多从国铁退下来且车况较好的东风4型内燃机车被地方铁路和厂矿企业购买，用于短途列车、调车作业以及小运转列车作业，或者配发给中铁各工程局用于牵引工程列车。
根据国家铁路局在2024年9月26日印发的《老旧型铁路内燃机车淘汰更新监督管理办法》，现存依然还在运行的东风4型内燃机车将在2035年底之前全部淘汰。
正在被拆解中的两台东风4型机车
有如下的东风4型内燃机车在退役后得到保存：
东风4-0001号车作为国家一级文物被收藏于北京的中国铁道博物馆永久收藏。
中国铁道博物馆收藏的东风4-0001号车
东风4-0002号车作为国家一级文物在恢复“毛泽东”号外观后在丰台机务段“毛泽东号机车展览馆”永久展出。
保存在丰台机务段的东风4-0002号车
东风4-0084号车如今保存在宝鸡铁路司机学校作为教学用车。
保存在宝鸡铁路司机学校的东风4-0084号车
东风4-0137号车现存在于韶关机务段实训基地做教学用车，但保存状况非常堪忧。
韶关机务段实训基地的东风4-0137号车
东风4-0187号车现存放在山东职业技术大学作为教学用车。
山东职业技术大学内的东风4-0187号车
东风4-0212号车现存放在石家庄铁路运输学校作为教学用车。
石家庄铁路运输学校内的东风4-0212号车
东风4-0367号车现存放在哈尔滨铁道职业技术学院作为教学用车。
哈尔滨铁道职业技术学院内的东风4-0367号车
东风4-0395号车现存放于吉林铁道职业技术学院校园内作静态展示。
吉林铁道职业技术学院内的东风4-0395号车
东风4-0423号车现存放在新疆铁路技术学校作为教学用车。
东风4-0533号车现存放于呼和浩特大黑河公园内作静态展示。
呼和浩特大黑河公园内的东风4-0533号车
东风4-2002号车（改号车）现存放在浙江师范大学金华铁路司机学校作为教学用车。
浙江师范大学金华铁路司机学校内的东风4-2002号车（改号车）
东风4-2012号车现存放在济南铁路高级技工学校作为教学用车。
东风4-0001号内燃机车性能数据
轮式：0-6-6-0
轴式：CO-CO
轨距：1.435米
轮径：1.05米
轴重：23吨
轴距：15.6米
通过最小曲线半径：145米
机车长度：21.1米（车钩中心距）
机车宽度：3.309米
机车高度：4.725米
整备重量：138吨
柴油机型号：16V240ZL型
标定功率：3600马力
传动方式：ZQDR-410型牵引电动机+TQFR-3000型牵引发电机
燃油储备量：7500公斤
储水量：1200公斤
储砂量：800公斤
最高速度：100公里/小时
持续速度：21.6公里/小时
牵引力：413千牛（起动）、302千牛（持续）
制动方式：空气制动