至1969年，大連機車車輛工廠為慶祝中華人民共和國二十周年國慶，對原有的設(shè)計方案進行了局部修改，并將1966年至1967年間試制的第一套柴油機、電機機組樣機安裝在機車上，研制成第一臺東風(fēng)4型柴油機車，車號為2001。機車出廠后在沈大鐵路大連至大石橋區(qū)間進行牽引試驗，但由于機車為“國慶獻禮”草率上馬，其零部件未經(jīng)必要的試驗考核和改進，柴油機和電氣部分以及機車其它一些裝置都未達到設(shè)計要求，導(dǎo)致整臺機車的性能和質(zhì)量未能過關(guān)，此后大連廠針對暴露的問題，對柴油機進行一系列改進 ，而田心電力機車工廠、株洲電力機車研究所、永濟電機廠、大連熱力機車研究所也聯(lián)合對原有的牽引電機組進行改進 。1972年，東風(fēng)4型2001號機車交付北京鐵路局北京內(nèi)燃機務(wù)段開始進行運用考核。1973年，大連廠又試制了2002號機車，同樣配屬北京內(nèi)燃機務(wù)段試用，完成京包鐵路、京廣鐵路的牽引試驗后，被安排在京山鐵路牽引旅客列車 。與此同時，面對東風(fēng)4型機車遲遲未能定型、柴油機車產(chǎn)能不足的情況，鐵道部決定從法國阿爾斯通公司進口一批代表著當(dāng)時世界第二代電傳動柴油機車最高水平的ND4型柴油機車作為過渡。

1974年，大連廠試制了東風(fēng)4型0001號貨運機車，交付北京鐵路局豐臺機務(wù)段運用。同年8月，0001號機車赴湘黔鐵路進行高溫冷卻試驗；同年9月，0001號機車改裝采用客運傳動比的轉(zhuǎn)向架后在京廣鐵路豐臺至石家莊之間進行動力學(xué)性能試驗，最高試驗速度達130公里/小時。試驗完畢后，同年年底大連廠正式開始批量生產(chǎn)東風(fēng)4型柴油機車，同時停產(chǎn)東風(fēng)3型機車 。1975年1月，0001號機車重新安裝貨運傳動比的轉(zhuǎn)向架，并由鐵道部科學(xué)研究院主持進行了牽引熱工性能試驗。1975年2月，《中國新聞報》和香港《大公報》均以《4000馬力內(nèi)燃機車誕生記》為題對東風(fēng)4型機車的研制作了長篇報道。

然而，東風(fēng)4型機車在零部件、制造工藝不穩(wěn)定的情況下量產(chǎn)，隨著運行里程增加，機械、電氣部件陸續(xù)暴露出很多問題，柴油機故障率尤其高，大量機車待修 ，當(dāng)時豐臺機務(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”。大連廠針對柴油機在結(jié)構(gòu)和工藝等方面問題又作了很多改進。在改進過程中，針對連桿蓋斷裂事故，柴油機采用了加厚的對稱連桿蓋；并在柴油機頂部加設(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，經(jīng)過上述兩項改進的柴油機定型為16V240ZJA型，裝用該型柴油機的東風(fēng)4型機車非正式稱為“東風(fēng)4A型”以示區(qū)別，第一臺裝用A型柴油機的東風(fēng)4（A）型0109號機車于1976年6月出廠，并于同年下半年開始批量生產(chǎn)。 在批量生產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機車的過程中，大連廠持續(xù)針對柴油機機強度和剛度不足、軸系動力性能欠佳的問題進行研究，于1977年試制了一臺經(jīng)過強化的新結(jié)構(gòu)機體，并將許多零部件新結(jié)構(gòu)和新工藝引入到新型柴油機，經(jīng)試驗后狀態(tài)良好，作為A型柴油機的升級產(chǎn)品定型為16V240ZJB型 。1980年至1981年間，大連廠對已產(chǎn)生裂紋的東風(fēng)4（A）型機車柴油機機體更換為B型柴油機機體，共更換115臺。1982年12月，第一臺裝用16V240ZJB型柴油機的東風(fēng)4型0527號機車出廠，作為東風(fēng)4（A）型機車的升級換代產(chǎn)品，定型為東風(fēng)4B型，并于1984年7月投入批量生產(chǎn)，同時停產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機車。

1980年代初，由于面對當(dāng)時中國鐵路運能緊張、東風(fēng)4（A）型機車產(chǎn)能不足的問題，資陽內(nèi)燃機車廠按照鐵道部的指示和大連機車車輛廠提供的圖紙，于1983年轉(zhuǎn)產(chǎn)東風(fēng)4（A）型機車。資陽廠首臺試制的東風(fēng)4型機車（車號3001）于1983年底交付廣州鐵路局廣州機務(wù)段使用 。由于資陽廠至1986年才完成轉(zhuǎn)產(chǎn)東風(fēng)4B型機車的技術(shù)改造，因此資陽廠于1986年才停產(chǎn)了東風(fēng)4（A）型機車。

截止1986年停產(chǎn)，大連廠和資陽廠累計生產(chǎn)了843臺東風(fēng)4（A）型機車。其中，大連廠累計生產(chǎn)了客運型31臺（車號2001～2031），累計生產(chǎn)了貨運型770臺（車號0001～0770）；資陽廠累計生產(chǎn)貨運型42臺（車號3001～3042）。

2006年至2008年間，中國鐵道部先后將三批東風(fēng)4、東風(fēng)4B型機車援助朝鮮。在最近期的2008年，北京鐵路局所屬12臺東風(fēng)4型機車經(jīng)整修后無償移交朝鮮 。在朝鮮鐵路系統(tǒng)中，這些機車編號為??2xx(Naey?n 2xx；內(nèi)燃 2××)。