东风4型内燃机车（DF4），是中国铁路第二代电传动内燃机车的首型机车，也是我国首次设计研制的交—直流电传动内燃机车，该型机车从研制到成熟经历了一段坎坷的历程。上世纪60年代中期，大连机车车辆厂、大连热力机车研究所、大同机车厂开始研制240/275系列中速柴油机，至1969年研制出首台东风4型内燃机车，此后多年一直处于“边生产、边改进”的局面。1974年，东风4型内燃机车初步投入量产，但在运用中柴油机又相继出现大量问题，在历经大量设计改进和试验研究之后，柴油机的可靠性和耐久性得到大幅提高。随后，作为东风4型机车的升级产品、装用16V240ZJB型柴油机的东风4B型内燃机车于1982年面世，并于1985年投入批量生产，成为中国铁路史上生产数量最多、运用最广泛的内燃机车车型。
1950年代，我国在“大跃进”形势的推动下踏上牵引动力内燃化的道路，并开始仿造试制多种形式的内燃机车。1956年，铁道部制定了《铁路十二年科技发展规划》，提出牵引动力的改造是铁路技术改造的重点，要逐步由蒸汽机车转到电力机车和内燃机车。1958年，大连机车车辆厂参照苏联的TE3型内燃机车成功试制了两台巨龙型内燃机车。这款我国第一代电传动内燃机车经过数年试验改进后，于1965年定型为ND型内燃机车（1966年8月改称为东风型内燃机车），并正式投入批量生产。与此同时，当时世界上的大功率内燃机车已经出现了采用中速柴油机、交—直流电传动的发展趋势。1964年，铁道部确定了“高速柴油机和中速柴油机并举”、“电传动和液力传动并举”的内燃机车发展方针，为了尽快缩小我国内燃机车与国际先进水平的差距，铁道部向大连机车车辆厂下达了研制第二代大功率内燃机车的任务。
1965年初，大连机车车辆厂、大连热力机车研究所、大同机车厂、铁道科学研究院等机构联合组成新中速柴油机设计组，首先重点是研制内燃机车的动力来源——新型大功率中速柴油机。当时同类型柴油机的设计参考资料十分缺乏，设计组只能从国内外杂志文献中寻找相关资讯，将国外同类型柴油机及机车的数据、图片以及使用中情况等作为设计参考，例如苏联哈尔科夫运输机械制造厂的D70系列、法国阿尔萨斯机械制造公司的AGO 240系列、瑞士苏尔寿公司的LVA24系列等。1965年7月，铁道部内燃机车会战指挥小组在青岛召开会议，批准下达新中速柴油机设计任务书，主要技术指标为缸径240毫米、行程275毫米、小时功率4000马力、额定功率3600马力、额定转速为每分钟1100转、四冲程、16缸、采用涡轮增压技术。1966年初，大连机车车辆厂试制双缸机并调试成功，双缸机最大输出功率突破500马力，证明16缸机可达到4000马力的预期目标。1966年8月，完成试制首台16缸的16V240ZJ型柴油机样机，同年内完成新型机车的总体设计。
正当柴油机样机依试验程序进行调试和设计改进时，“文革”爆发，各地铁路科研机构首当其冲遭到了巨大冲击，研制工作只能在断断续续的情况下进行。1967年，湘潭电机厂（今湘潭电机股份有限公司）试制了首批为第二代大功率内燃机车配套的牵引电机组，包括3000千伏安三相交流同步牵引发电机、410千瓦牵引电动机、80千瓦起动发电机、45千伏安三相交流同步励磁电机。
1969年，为庆祝中华人民共和国二十周年国庆，大连机车车辆厂对原有的设计方案进行局部修改，将之前试制的柴油机和牵引电机组样机安装在机车上，同年9月26日试制出首台东风4型2001号机车，出厂后在沈大铁路大连至大石桥区间进行牵引试验。但由于这台机车为“国庆献礼”草率上马，其零部件未经必要的试验考核和改进，柴油机和电气部分以及机车其它一些装置未达到设计要求，导致整台机车的性能和质量都未能过关。此后，大连机车车辆厂针对原型车试运行中出现的问题，联合田心电力机车厂（今中车株洲电力机车有限公司）、株洲电力机车研究所、永济电机厂、大连热力机车研究所等单位，进行了持续十几年的反复试验和全面改进。
从1971年到1974年间，除了于1966年试制的首台16V240ZJ型柴油机样机之外，大连机车车辆厂又生产了另外四台柴油机进行试验考核，这五台柴油机进行总计2400小时的各种试验，基本解决了柴油机功率不足、燃烧不良、排气温度高、机油稀释和柴油机振动等几大关键问题。因应初期试制配套牵引电机组存在的一些问题，田心电力机车厂、永济电机厂、株洲电力机车研究所、大连热力机车研究所等单位于1970年组成联合设计组，对牵引电机组的设计作出改良。1971年至1973年间，田心电力机车厂先后完成ZQDR-410型牵引电动机和TQFR-3000型牵引发电机的试制和投产。与此同时，面对东风4型机车迟迟未能定型、内燃机车产能不足的情况，铁道部决定从法国阿尔斯通公司进口一批技术较先进的内燃机车作为过渡，也就是代表着当时世界上电传动内燃机车先进水平的ND4型内燃机车。
1972年，东风4型2001号机车交付北京铁路局北京内燃机务段开始进行运用考核。1973年，大连机车车辆厂又试制了东风4型2002号机车，同年5月交付北京内燃机务段进行运用试验。两台原型车在京原铁路北京至灵丘间进行了牵引性能试验，并与同期从西德亨舍尔公司引进的NY6、NY7型液力传动内燃机车进行对比试验，然后又在京包铁路南口至康庄间进行了八达岭大坡道上停车再起动试验，以及在京广铁路完成旅客列车牵引试验。随后，两台原型车被安排在京山铁路牵引旅客列车。1974年6月，大连机车车辆厂试制了东风4型0001号货运机车，交付北京铁路局丰台机务段投入运用考核，在京山铁路丰台西至南仓间担当货物列车牵引任务。同年8月，这台机车赴湘黔铁路娄底至金竹山区间进行夏季高温冷却性能试验。1974年9月，这台机车又改装客运传动比的转向架，在京广铁路丰台至石家庄之间、京承铁路丰台至洞庙河间进行动力学性能试验，最高试验速度达130公里/h。随后，东风4型0001号机车返厂安装货运传动比的转向架，然后继续在京山铁路进行运用考核。至同年底，2001号、2002号机车已分别完成了10万公里的运用考核，0001号机车亦已完成1.5万公里的磨合试验，005号柴油机也完成了500小时的耐久试验。
1974年底，为了满足中国铁路对大功率内燃机车的急切需求，装用16V240ZJ型柴油机的东风4型内燃机车正式投入量产，大连机车车辆厂同时停产东风型内燃机车，张店电机厂（今淄博牵引电机集团）和永济电机厂亦分别于1974年和1975年开始，按照株洲电力机车厂提供的图纸生产牵引电机组。1975年1月，东风4型0001号机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。1975年2月，《中国新闻报》和香港《大公报》均以《4000马力内燃机车诞生记》为题对东风4型机车的研制作了长篇报道。
然而，从1975年开始，随着机车走行里程的增加，柴油机的可靠性问题不断暴露出来，相继出现如连杆螺栓断裂、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，仅在1975年就有22台柴油机连杆螺栓折断，可以说柴油机上的主要零部件都出现了大大小小的质量问题，当时的丰台机务段还曾经传唱着一句顺口溜：“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”。为此，铁道部下令组织产品质量攻关，并且连续几年召开设计改进会议。大连机车车辆厂对零部件出现的问题进行了详细的分析研究后，制定了一系列结构改良方案并再进行疲劳试验验证，同时派出技术人员到各机务段现场进行维修。在改进过程中，工厂首先针对较广泛的连杆螺栓和连杆盖断裂故障，改为采用了全纤维辗制滚压螺栓和加厚对称连杆盖，以提高连杆零部件的疲劳强度和刚度；此外，将原来左、右两列汽缸并联工作的两根排气总管，分别接到两端的增压器上的结构，改成两列汽缸共用一根排气总管，从其两端接到柴油机两端的涡轮增压器上，并在柴油机顶部加设排气稳压箱，这样既可以改善增压系统的稳定性，又可以降低柴油机低工况时的燃油消耗率。为了区别原有的16V240ZJ型柴油机，经过上述两项改进的柴油机被定型为16V240ZJA型。第一台装用16V240ZJA型柴油机的东风4型0109号机车于1976年6月出厂，并于同年下半年开始批量生产。
东风4型机车从1974年下半年投入批量生产，到1977年底已生产了233台机车，配属全国9个铁路局、14个机务段运用。但从1976年开始，柴油机又发现了更严重的机体裂纹事故，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%，造成大量机车无法运用趴窝待修。设计部门通过大量试验研究查明，柴油机各种故障的根源在于机体强度和刚度不足，以及柴油机轴系动力性能欠佳所致，因此对柴油机机体等二十多个零部件进行了修改设计，包括加高主轴承座以增加机体的高度，主轴承盖加设了水平横拉螺钉，通过调整曲轴平衡块重量和加粗主轴颈来提高曲轴强度，又将锻铝活塞改为整体薄壁球铁活塞，还大胆采用了先进的薄壁球铁活塞和簧片式弹性联轴节。1977年11月，经过上述改良的0255号柴油机完成了500小时台架耐久试验，结果显示柴油机性能和部件状态良好，作为A型柴油机的升级产品定型为16V240ZJB型。
1978年3月，铁道部在大连召开了16V240ZJB型柴油机鉴定会议，批准16V240ZJB型柴油机初步定型，可以投入小批量生产。根据会议的建议，大连机车车辆厂将0255号柴油机样机装上东风4型0282号机车。从1978年10月至1979年底，这台机车在丰沙铁路丰台西至张家口间进行运用试验，期间牵引货物列车共运行21万多公里，柴油机经拆检观察显示性能和主要零部件磨耗情况良好。16V240ZJB型柴油机得到肯定后，为了使柴油机更加可靠，大连机车车辆厂决定参照国外柴油机的试验规范，对柴油机再进行2000小时高负荷耐久试验。1979年7月至1980年6月，大连内燃机车研究所对0503号柴油机进行了2000小时耐久试验。随后，设计部门先后在单缸机和三台16缸柴油机上进行了三种标定转速的对比试验，最终决定在保持装车功率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。
1979年6月，为了东风4型内燃机车功率随大气条件的变化规律，以便确定柴油机随大气条件的功率修正方式，铁道部科学研究院选定了东风4型0108号机车，在多个不同海拔高度及气温的地点进行柴油机功率试验。1980年9月，大连内燃机车研究所选用东风4型0188号机车，进行了三种不同标定转速下的牵引热工性能试验。1980年至1981年间，大连机车车辆厂对已产生裂纹的16V240ZJA型柴油机机体更换为16V240ZJB型柴油机机体，共更换115台。1982年12月，第一台新造的装用16V240ZJB型柴油机的0527号机车出厂，作为东风4型机车的升级换代产品，定型为东风4B型内燃机车。1983年1月至5月，0527号机车在大连内燃机车研究所完成了各项性能试验。1984年底，正式定型的16V240ZJB型柴油机和东风4B型内燃机车投入批量生产，同时大连机车车辆厂停产东风4型机车。从1974年投产开始到1984年停产为止，大连机车车辆厂累计生产了801台东风4型内燃机车，其中包括客运型31台（车号2001～2031）、货运型770台（车号0001～0770）。
1982年7月，面对当时中国铁路运能紧张及内燃机车产能不足的问题，铁道部指示资阳内燃机车厂转产东风4型内燃机车，同时停止东方红4型内燃机车和16V200Z型柴油机试制，结束了长期以来关于大功率内燃机车发展电传动或液力传动的争论。1983年3月26日，国家计委下达了 “关于资阳厂转产改造设计任务书的批复”。随后，资阳内燃机车厂得到大连机车车辆厂提供的全套图纸，又新建了16V240ZJ型柴油机试验台和东风4型机车水阻试验台 ，终于赶在1983年12月25日试制出第一台东风4型3001号机车，同年底交付广州铁路局广州机务段(今中国铁路广州局集团有限公司广州机务段)使用。1986年6月，资阳内燃机车厂完成转产东风4B型机车的技术改造，同时停产东风4型机车。1984年至1986年，资阳内燃机车厂累计生产了42台东风4型内燃机车（车号3001～3042）。大连和资阳两家工厂共生产了843台东风4型机车。
上世纪80年代初，我国开始发展重载列车以提高铁路运输能力，大连机车车辆工厂为东风4型内燃机车研制了重联装置，并且根据电阻制动系统在试验和运用过程中发现的问题及运用部门提出的意见，与西安信号工厂和天津机车车辆机械工厂合作进行了改进设计。1984年，东风4型0642号、0643号机车安装了重联控制及电阻制动设备，配合我国第一代运煤专用敞车C61型敞车，于同年7月至8月进行铁路重载列车运行试验并获得成功，选择了晋煤外运北通道的京包铁路、丰沙大铁路（丰台—沙城—大同线）和京秦铁路（北京—秦皇岛线）为试点。双机最大牵引吨位达5000吨（计60节车辆），平直道上的最大平衡速度可达85公里/小时，在9‰坡道上的平衡速度为26公里/小时，并在7.6‰坡道上进行了双机坡停起动试验。此外，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。
2006年至2008年间，铁道部先后多次将国内淘汰的东风4型和东风4B型机车无偿援助朝鲜铁道省。在朝鲜铁路系统中，东风4系列机车被定型为朝鲜铁道200型内燃机车，机车编号为내연2xx（“내연”意为“内燃”），大多数配属铁道省咸兴铁路局咸兴机务段咸兴机车队，担当货物列车和旅客列车的牵引任务。
1977年2月，配属北京铁路局丰台机务段的东风4型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（ㄇㄎ1-304），成为第二代“毛泽东号”机车。1991年8月，东风4B型1893号机车接替了东风4型0002号机车，成为第三代“毛泽东号”。东风4型0002号机车除名后改为丰台机务段调车机车。
2002年1月24日，机车在北京郊区的周口店铁路进行调车作业，前往长沟峪煤矿取车后，由于车站职工误将折角塞门关闭且司机疏忽，列车运行至下坡道时制动失效，紧急制动只能将列车减速至约20公里/小时，周口店站决定将失控的列车溜进货场，将停放的三节敞车撞毁后机车脱轨颠覆，没有造成人员伤亡，机车修复后恢复运行。
2008年12月19日，东风4型0002号机车根据铁道部电报令报废；报废后封存于丰台机务段储备厂中。2012年9月7日，丰台机务段开始对该机车进行整修，使用东风4B型6223号机车的主要零部件进行修复。机车经修复后存放于丰台机务段内的毛泽东号机车展览馆。
东风4型0001号机车，由大连机车车辆厂于1973年生产，曾先后配属北京铁路局丰台机务段、古冶机务段、唐山机务段、临汾机务段，至2002年于临汾机务段退役，服役期间安全行驶223万公里。2002年9月25日，铁道部发出《运装机电（2002）609号》电报，征集东风4型0001号机车作为保存文物，同年10月进入中国铁道博物馆永久收藏，经鉴定后被定为国家一级文物。
