至1969年，大連機(jī)車(chē)車(chē)輛工廠為慶祝中華人民共和國(guó)二十周年國(guó)慶，對(duì)原有的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了局部修改，并將1966年至1967年間試制的第一套柴油機(jī)、電機(jī)機(jī)組樣機(jī)安裝在機(jī)車(chē)上，研制成第一臺(tái)東風(fēng)4型柴油機(jī)車(chē)，車(chē)號(hào)為2001。機(jī)車(chē)出廠后在沈大鐵路大連至大石橋區(qū)間進(jìn)行牽引試驗(yàn)，但由于機(jī)車(chē)為“國(guó)慶獻(xiàn)禮”草率上馬，其零部件未經(jīng)必要的試驗(yàn)考核和改進(jìn)，柴油機(jī)和電氣部分以及機(jī)車(chē)其它一些裝置都未達(dá)到設(shè)計(jì)要求，導(dǎo)致整臺(tái)機(jī)車(chē)的性能和質(zhì)量未能過(guò)關(guān)，此后大連廠針對(duì)暴露的問(wèn)題，對(duì)柴油機(jī)進(jìn)行一系列改進(jìn) ，而田心電力機(jī)車(chē)工廠、株洲電力機(jī)車(chē)研究所、永濟(jì)電機(jī)廠、大連熱力機(jī)車(chē)研究所也聯(lián)合對(duì)原有的牽引電機(jī)組進(jìn)行改進(jìn) 。1972年，東風(fēng)4型2001號(hào)機(jī)車(chē)交付北京鐵路局北京內(nèi)燃機(jī)務(wù)段開(kāi)始進(jìn)行運(yùn)用考核。1973年，大連廠又試制了2002號(hào)機(jī)車(chē)，同樣配屬北京內(nèi)燃機(jī)務(wù)段試用，完成京包鐵路、京廣鐵路的牽引試驗(yàn)后，被安排在京山鐵路牽引旅客列車(chē) 。與此同時(shí)，面對(duì)東風(fēng)4型機(jī)車(chē)遲遲未能定型、柴油機(jī)車(chē)產(chǎn)能不足的情況，鐵道部決定從法國(guó)阿爾斯通公司進(jìn)口一批代表著當(dāng)時(shí)世界第二代電傳動(dòng)柴油機(jī)車(chē)最高水平的ND4型柴油機(jī)車(chē)作為過(guò)渡。

1974年，大連廠試制了東風(fēng)4型0001號(hào)貨運(yùn)機(jī)車(chē)，交付北京鐵路局豐臺(tái)機(jī)務(wù)段運(yùn)用。同年8月，0001號(hào)機(jī)車(chē)赴湘黔鐵路進(jìn)行高溫冷卻試驗(yàn)；同年9月，0001號(hào)機(jī)車(chē)改裝采用客運(yùn)傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向架后在京廣鐵路豐臺(tái)至石家莊之間進(jìn)行動(dòng)力學(xué)性能試驗(yàn)，最高試驗(yàn)速度達(dá)130公里/小時(shí)。試驗(yàn)完畢后，同年年底大連廠正式開(kāi)始批量生產(chǎn)東風(fēng)4型柴油機(jī)車(chē)，同時(shí)停產(chǎn)東風(fēng)3型機(jī)車(chē) 。1975年1月，0001號(hào)機(jī)車(chē)重新安裝貨運(yùn)傳動(dòng)比的轉(zhuǎn)向架，并由鐵道部科學(xué)研究院主持進(jìn)行了牽引熱工性能試驗(yàn)。1975年2月，《中國(guó)新聞報(bào)》和香港《大公報(bào)》均以《4000馬力內(nèi)燃機(jī)車(chē)誕生記》為題對(duì)東風(fēng)4型機(jī)車(chē)的研制作了長(zhǎng)篇報(bào)道。

然而，東風(fēng)4型機(jī)車(chē)在零部件、制造工藝不穩(wěn)定的情況下量產(chǎn)，隨著運(yùn)行里程增加，機(jī)械、電氣部件陸續(xù)暴露出很多問(wèn)題，柴油機(jī)故障率尤其高，大量機(jī)車(chē)待修 ，當(dāng)時(shí)豐臺(tái)機(jī)務(wù)段還曾經(jīng)傳唱著一句順口溜：“東風(fēng)4，東風(fēng)4，從東單跑不到西四。京廣線要癱瘓，東風(fēng)4要完蛋”。大連廠針對(duì)柴油機(jī)在結(jié)構(gòu)和工藝等方面問(wèn)題又作了很多改進(jìn)。在改進(jìn)過(guò)程中，針對(duì)連桿蓋斷裂事故，柴油機(jī)采用了加厚的對(duì)稱(chēng)連桿蓋；并在柴油機(jī)頂部加設(shè)排氣穩(wěn)壓箱，以改善增壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為了區(qū)別原有的柴油機(jī)，經(jīng)過(guò)上述兩項(xiàng)改進(jìn)的柴油機(jī)定型為16V240ZJA型，裝用該型柴油機(jī)的東風(fēng)4型機(jī)車(chē)非正式稱(chēng)為“東風(fēng)4A型”以示區(qū)別，第一臺(tái)裝用A型柴油機(jī)的東風(fēng)4（A）型0109號(hào)機(jī)車(chē)于1976年6月出廠，并于同年下半年開(kāi)始批量生產(chǎn)。 在批量生產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)的過(guò)程中，大連廠持續(xù)針對(duì)柴油機(jī)機(jī)強(qiáng)度和剛度不足、軸系動(dòng)力性能欠佳的問(wèn)題進(jìn)行研究，于1977年試制了一臺(tái)經(jīng)過(guò)強(qiáng)化的新結(jié)構(gòu)機(jī)體，并將許多零部件新結(jié)構(gòu)和新工藝引入到新型柴油機(jī)，經(jīng)試驗(yàn)后狀態(tài)良好，作為A型柴油機(jī)的升級(jí)產(chǎn)品定型為16V240ZJB型 。1980年至1981年間，大連廠對(duì)已產(chǎn)生裂紋的東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)柴油機(jī)機(jī)體更換為B型柴油機(jī)機(jī)體，共更換115臺(tái)。1982年12月，第一臺(tái)裝用16V240ZJB型柴油機(jī)的東風(fēng)4型0527號(hào)機(jī)車(chē)出廠，作為東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)的升級(jí)換代產(chǎn)品，定型為東風(fēng)4B型，并于1984年7月投入批量生產(chǎn)，同時(shí)停產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)。

1980年代初，由于面對(duì)當(dāng)時(shí)中國(guó)鐵路運(yùn)能緊張、東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)產(chǎn)能不足的問(wèn)題，資陽(yáng)內(nèi)燃機(jī)車(chē)廠按照鐵道部的指示和大連機(jī)車(chē)車(chē)輛廠提供的圖紙，于1983年轉(zhuǎn)產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)。資陽(yáng)廠首臺(tái)試制的東風(fēng)4型機(jī)車(chē)（車(chē)號(hào)3001）于1983年底交付廣州鐵路局廣州機(jī)務(wù)段使用 。由于資陽(yáng)廠至1986年才完成轉(zhuǎn)產(chǎn)東風(fēng)4B型機(jī)車(chē)的技術(shù)改造，因此資陽(yáng)廠于1986年才停產(chǎn)了東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)。

截止1986年停產(chǎn)，大連廠和資陽(yáng)廠累計(jì)生產(chǎn)了843臺(tái)東風(fēng)4（A）型機(jī)車(chē)。其中，大連廠累計(jì)生產(chǎn)了客運(yùn)型31臺(tái)（車(chē)號(hào)2001～2031），累計(jì)生產(chǎn)了貨運(yùn)型770臺(tái)（車(chē)號(hào)0001～0770）；資陽(yáng)廠累計(jì)生產(chǎn)貨運(yùn)型42臺(tái)（車(chē)號(hào)3001～3042）。

2006年至2008年間，中國(guó)鐵道部先后將三批東風(fēng)4、東風(fēng)4B型機(jī)車(chē)援助朝鮮。在最近期的2008年，北京鐵路局所屬12臺(tái)東風(fēng)4型機(jī)車(chē)經(jīng)整修后無(wú)償移交朝鮮 。在朝鮮鐵路系統(tǒng)中，這些機(jī)車(chē)編號(hào)為??2xx(Naey?n 2xx；內(nèi)燃 2××)。