从1990年代初开始，随着中国经济和铁路运输的发展，京沪、京广、京哈铁路等铁路干线的货物运量迅速增长，为了缓和繁忙干线运输能力紧张的局面，中华人民共和国铁道部决定通过调整机车类型、延长货物列车长度、提高牵引定数，在主要干线开行5000吨级重载混编货物列车。1993年，铁道部为配合“中取华东”的铁路建设战略，向上海铁路局批覆了沪宁铁路（京沪铁路沪宁段）的重载牵引扩能工程，并指定使用东风4B型内燃机车双机重联作为重载列车的牵引动力，为此铁道部一方面与上海铁路局合作对南翔机务段的东风4B型机车进行双机重联技术改造，另一方面也计画以东风4B型机车为基础，研製固定重联的新型大功率内燃机车。1994年初，铁道部于以《铁机函（1994）177号》文向四方机车车辆厂下达研製东风4E型重联内燃机车的任务要求，车型代号DF4E。

1994年12月28日，首台东风4E型内燃机车在青岛出厂

1994年5月26日，铁道部在北京召开东风4E型机车的设计审查会，通过了机车设计方案，进入试製阶段。1994年12月28日，第一组东风4E型内燃机车（0001）在四方机车车辆厂出厂，随后赴北京环形铁道进行了一系列型式试验。1995年4月19日，东风4E型0001号机车到达所配属的上海铁路局南翔机务段，在沪宁铁路按重载交路投入性能试验和运用考核。

东风4E型0002号机车牵引混合列车通过南翔站客场

在东风4E型机车投入运用的同时，中国铁路于1995年正式奏响了既有线大提速的前奏。1995年9月16日至22日，沪宁铁路进行了首次货物列车提速试验，试验列车分别由东风8型内燃机车和东风4E型机车牵引，按三种不同的组合方式进行试验，分别为东风8型机车单机牵引4200吨、东风4E型机车牵引4200吨和东风4E型机车牵引5000吨，主要试验项目包括机车启动加速性能，列车紧急制动及常用、调速制动性能。试验结果显示，东风4E型机车牵引4200吨货物列车的运行最高速度达100.4公里/小时；牵引5000吨重载列车时最高速度达96.5公里/小时，南京、上海之间的货物列车运行时间缩短到3小时35分，比当时中国国内货物列车的平均速度提高了一倍，能够满足中国第九个五年计画期间铁路高速重载的需求。

提速试验结束后，四方机车车辆厂于1996年完成了东风4E型机车的图纸整理工作，并通过了铁道部机务局的审查，开始批量生产东风4E型机车。1994年至1997年间，四方机车车辆厂共生产了16组东风4E型内燃机车（0001～0016），全部均配属上海铁路局南翔机务段，主要用于在沪宁铁路南京东至南翔区段牵引5000吨以上的重载货运列车，代替原来双机重联牵引的ND5型内燃机车。

东风4E型0004与0003号机车

在东风4E型机车研製成功后仅仅三年，戚墅堰机车车辆厂于1997年成功研製柴油机装车功率3680千瓦、单机标称功率3100千瓦、轴重25吨的东风8B型内燃机车，同样配属南翔机务段运用，单台机车在牵引5000吨重载货物列车时最大速度可达85公里/小时。而由于东风4E型内燃机车属于满足重载牵引需求的过渡性产物，而且固定重联的特点也导致机车整体耗油量较高、运用的灵活性较差；相比之下东风8B型机车具有更好的经济性，仅需一台机车已经能够取代双机重联使用的东风4E型机车，担当相同的重载列车牵引任务。

由东风4E型机车改造而成的东风4B型7707号机车

东风4E型机车改造为东风4B型机车的原则：在保证机车运用可靠性和零部件威化的通用性前提下，儘可能选用东风4B型机车上成熟、先进的产品；降低改造成本，改造后的一些大部件，如柴油发电机组、牵引电动机、转向架等扔然利用原车型号的部件，主要以车底架与司机室为改造重点。

改造方案：

机车车体：按照东风4B型机车的钢结构进行改造；增设1个司机室；在冷却室和二端司机室之间增加一个隔墙；

由东风4E型机车改造而成的东风4B型7725号机车

柴油机：对原有机车柴油机的燃油系统、机油系统、冷却水系统重新布局；

传动系统：将东风4E型机车採用的静液压变速箱改造为东风4B型机车通用的直齿轮结构变速箱；

辅助系统：冷却水系统重新布局；机油管路重新布局；相关部件及配件更换为东风4B机车通用配件；

电气系统：电气柜按照东风4B型机车进行全面改造。

至2002年，16组东风4E型机车先后在戚墅堰机车车辆厂被改造为32台东风4B型内燃机车，新车号为东风₄ 7701～7732，而此号段与大连机车车辆厂製造的32台东风4B型机车编号重複，因此每个编号各有两台机车，仅机车出厂铭牌标识有区别。这两批机车外观基本完全相同，较为明显的差异在于驾驶室空调的布置。

东风4E型机车由两节结构相同的单司机室机车联挂而成，分别为A节和B节机车，机车乘务员在本务机车上可同时操纵两节机车，两车之间有橡胶风档和通过台。机车既可双节重联使用，也可单节独立使用。机车标称功率4000千瓦，最高运行速度100公里/小时，轴重23吨。

东风4E型0010号机车

东风4E型机车以东风4B型为基础，基本结构和零部件与东风4B相同，方便运用部门的使用、维护和保养。机车採用全钢焊接的框架式侧墙承载结构，每节机车均设有司机室、电气室、动力室和冷却室，装用一台由四方机车车辆厂自行製造的16汽缸、四冲程、带废气涡轮增压的16V240ZJB型直喷柴油机，与大连机车车辆厂生产的同型号柴油机相比，四方机厂的柴油机机体採用高强度球墨铸铁整体铸造、曲轴採用合金钢整体锻造，而非大连厂一直採用的铸焊联合结构机体，消除了因机体焊缝疲劳造成板材裂纹的隐患，提高柴油机的可靠性和耐久性。

机车採用交—直流电传动，柴油机直接驱动一台TQFR-3000B型三相交流同步发电机发电，经硅整流机组整流后，供给六台永济电机製造的ZD109A型4极串励直流牵引电动机，通过牵引齿轮带动轮对。机车轴式为2×（Co-Co），走行部与东风4B型机车完全相同，一系悬挂为轴箱圆弹簧并带有液压减震器，二系悬挂为橡胶堆；牵引电机採用轴悬式悬挂（滑动抱轴承式半悬挂）。

东风4E型0005号机车

东风4E型机车配备了由大连内燃机车研究所研製的“电力传动内燃机车简统化重联装置”，两节机车之间的电气、空气连线通过一组重联电气软管和四根重联空气软管来提供。重联控制系统採用单片机技术及串列通讯功能，使用以英特尔8098单片机为核心通过扩展接口组成控制系统，可以实现同步换向、同步牵引、柴油机同步调速、同步电阻制动等功能。