达成铁路是由中华人民共和国铁道部和四川省政府共同投资修建的国家一级干线，于1997年12月15日全线通车；同月出资双方在成都市正式成立了达成铁路有限责任公司，负责经营达成铁路的客、货运输及相关服务，合资铁路公司在经营方式、机构设定、生产组织、运价浮动等方面均比国家铁路享有更大的自主经营权。

为了提高经济效益，达成铁路公司于1998年开始研究在旅客列车取消发电车，改由机车向列车供电的可行性，以最大限度的压缩机车车辆购置及维修成本、工资成本及有关运输成本。传统上旅客列车一般都挂有一节发电车，给列车内空调、电暖、照明等提供电源；如果以机车代替发电车向列车供电，则可减少发电车的配置、维修、折旧、燃油、人员等费用，并可增加一辆载客车厢，提高运输能力。

为此，达成铁路公司与大连机车车辆厂和永济电机厂合作，对三种不同方案进行比较。第一种方案是在机车上加装一台输出功率约500千瓦柴油发电机组，缺点是其体积较为庞大，除非採用单司机室否则机车上的空间不能满足要求。第二种方案是加装单独的供电发电机和供电励磁机，缺点是起动变速箱负载达到500千瓦，设计上有一定困难。第三种方案是装用同轴主副发电机，利用机车的柴油发电机组向机车供电，需重新设计控制系统及发电机，并要求机车柴油机有足够大的功率支持。

通过对上述三种方案的论证，最终採纳了第三种方案，决定以装用16V240ZJD型柴油机的东风4D型客运机车为基础进行重新设计，加装同轴副发电机，并由微机系统判断并执行对机车的牵引及供电控制，该型机车被定型为东风4DF型成为中国铁路第一种具有向列车供电功能的内燃机车。

1998年12月，达成铁路有限责任公司与大连机车车辆厂签订契约，购买首批4台东风4DF型机车，车号为0349～0352。1999年4月，大连机车车辆厂完成了4台机车的试製，同年5月交付达成铁路公司投入运用。在运用考核的一年中，该型机车牵引及发电功能基本稳定，但存在主整流柜易烧损、副发电机散热不良等技术问题，达成铁路公司与大连机车厂及永济电机厂协商，于2001年对主发电机、主硅整流柜进行改进，使机车性能渐趋稳定。

达成铁路公司订购的首批4台东风4DF型机车于1999年5月配属南充机辆段（成局南段），投入达成铁路运用，担当牵引达州—遂宁—南充—成都的管内旅客列车及部分货物列车。由于使用情况良好，引起了湖南省石长铁路公司的兴趣，同年订购了2台东风4DF型机车并配属益阳机务段（广铁益段），投入石长铁路运用，后于2003年改配属广州铁路集团长沙机务段。此后，达成铁路公司在2000年至2004年间，又向大连机车车辆公司先后订购四批共20台东风4DF型机车。截至2004年，大连机车车辆公司累计生产了25台东风4DF型机车。

2004年11月起，随着达万铁路正式开通客运，原达成铁路公司与达万铁路公司重组为新的达成铁路公司，并由南充机辆段的东风4DF型机车担当牵引达万线的旅客列车。2005年3月，中国铁道部实施撤销全国铁路分局的体制改革，原长沙铁路总公司撤销，原岳阳机务段、长沙机务段、娄底机务段、株洲机务段、衡阳机务段、郴州机务段、益阳机务段等七个单位合併为株洲机务段，原配属长沙机务段的两台东风4DF型机车均改配属株洲机务段长沙运用车间。2008年7月，达成铁路的生产经营改由成都铁路局委託管理，原南充机辆段的机务部分合併到成都机务段，而车辆部分合併到成都东车辆段，原配属达成公司南充机辆段的所有东风4DF型机车均改配属为成都机务段，担当成都至绵阳（江油）的成绵江城际列车（原T8892/1次、T8893/4次、T8895/6次，2011年7月1日更改为T8901/8912次、T8903/8902次、T8905/8904次、T8907/8906次、T8909/8910次）本务机车。2009年初，株洲机务段的两台东风4DF型机车均取消了列车供电装置，改造成普通的东风4D型提速客运机车。

2012年4月，广西沿海铁路公司向成都铁路局购置了四台东风4DF型机车，投入南防铁路、钦北铁路运用，担当牵引南宁至北海、防城港的空调旅客列车，以替代原有的NYJ1型“北海号”内燃动车组。

东风4DF型机车的车体结构与东风4D型机车大致相同，採用双司机室、内走廊式侧壁承载全焊接钢结构车体。机车从前到后分别为第一端司机室、电气室、传动室、动力室、冷却室、辅助室、第二端司机室。电气室内空间比东风4D型有所减少，设有电气柜和电阻制动柜，电气柜上增加内燃机车控制器（DLC）以取代励磁调节器等。传动室设有主硅整流柜、励磁整流柜、启动发电机、前转向架牵引电动机等设备，并增加了列车供电控制柜。动力室在机车中部，安装了一套柴油发电机组（包括同轴副发电机）及其辅助设备。冷却室设有油水系统冷却装置，包括铜散热器、高温闭式循环冷却水系统、膨胀水箱、后转向架牵引电动机通风机、两台空气压缩机等。辅助室内取消了预热锅炉，改为安装一台50千瓦的小型辅助发电机组。

东风4DF型机车仍装用一台16V240ZJD型柴油机，是由大连机车车辆厂在16V240ZJB型柴油机基础上，通过与英国里卡多谘询工程公司技术合作，于1986年开发完成的大功率机车柴油机，属于240/275系列产品之一。该型柴油机为16汽缸、四冲程、废气涡轮增压的直喷式V型中速柴油机，重新设计了缸盖和气门机构，採用整体铸钢主轴承座与钢板焊接而成的机体、稀土合金球铁曲轴、定压增压系统；在50°V形夹角上方布置两套增压器和中冷器，柴油机装车功率为2940千瓦。

传动装置为交-直流电传动，柴油机通过法兰盘直接驱动一台三相交流同步牵引发电机，通过硅整流装置把牵引发电机发出的三相交流电整流为直流电，再经过一套控制系统将电能输送给两台转向架上的六台直流串励牵引电动机，通过传动齿轮驱动车轮。机车採用JF210型同步发电机、ZD109B型牵引电机。机车还装有电阻制动装置，制动功率为2730千瓦。

东风4DF型机车採用JF210型主副发电机，该型发电机是在东风4D型机车採用的TQFR-3000E型同步主发电机基础上，通过延长其电枢轴并在其前端加装同轴副发电机；副发电机专门为列车供电，为一台三相交流工频同步发电机，额定功率为500千伏安，输出电压为380伏交流电。机车两端车头下方两侧均设有一对供电插座，通过连线电缆向列车供电。由于机车设有供电牵引和非供电牵引两种模式，东风4DF型机车採用微机控制系统判断并执行对机车的牵引及供电控制，称为内燃机车控制器（DLC），它是以一个以英特尔80C196微处理器为核心的多功能实时控制系统，可以自动完成发电工况和非发电工况下机车的恆功控制，以及电阻制动控制、列车供电控制、辅助发电控制等功能。当机车向列车供电时，为了保障供电的稳定，柴油机转速将由微机系统固定保持在每分钟940～1000转，此时司机控制器不再改变柴油机转速，而是通过DLC控制器控制励磁电流，实行16位有档无级调速。

由于副发电机与主发电机同轴，机车向列车供电时将消耗约350千瓦的功率，此时机车标称功率由非供电牵引时的2425千瓦下降至1980千瓦。此外，机车辅助室内并安装了一台50千瓦的小型辅助发电机组，可用于当同轴副发电机故障时，向列车继续提供应急电源。

机车走行部与东风4D型机车相同，为两台三轴转向架，轴式Co-Co。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，并在车体与转向架之间装有横向减震器和抗蛇行减震器。牵引力和制动力通过低位四连桿机构牵引装置传递。牵引电机悬挂方式为滑动抱轴承式半悬挂、单边齿轮传动。

2008年6月8日凌晨，达成铁路公司南充机辆段的东风4DF型4034号机车，附挂南充机辆段的东风4B型3621号机车（无火回送），牵引40074次货运列车经由达成铁路运行。凌晨2时40分，当列车运行至达成线金堂站至道观音站间K302+805M处、成都市金堂县赵镇悦来渡口附近时，因线路右侧山上岩石受同年5月的汶川大地震以及连续降雨影响而突然崩塌下落并落入铁路，列车停车不及撞上落石，列车的本务机车、回送机车及机车后的10节车辆颠覆脱轨，并造成本务机车司机及随车一名押运员死亡，中断达成线正线行车15小时46分。两台机车后被送往南车成都机车车辆公司进行修复。