ND4型内燃机车是中国铁路的干线内燃机车车型之一，由法国阿尔斯通公司于1970年代初设计制造，共计50台全部配属北京铁路局丰台机务段，曾经是京原铁路、丰沙铁路、京山铁路的主力货运机车，1990年代起陆续报废。

1970年代初，北京铁路局丰台机务段开始从蒸汽机车牵引向内燃化过渡。当时中国的电力传动内燃机车以直—直流电传动的东风型内燃机车为主，技术性能仍然处于落后水平；而第二代交—直流电传动的东风4型内燃机车由于草率上马，导致整台机车的性能和质量未能过关。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，中华人民共和国铁道部决定从国外进口一批技术较为先进的内燃机车作为过渡。

经过评选和谈判，中国机械进出口总公司与法国阿尔斯通公司及电气牵引设备公司（MTE），于1971年6月23日在北京签订了从法国进口50台内燃机车的贸易合同，时任中国对外贸易部副部长李强、法国驻华大使艾蒂安·马纳克（Etienne Manac'h） 、阿尔斯通公司牵引部总经理罗杰·沙尔翁-德梅尔赛（Roger Chalvon-Demersay）等人出席了签字仪式。该型机车被定型为ND4型，其中“N”代表内燃机车、“D”代表电力传动；阿尔斯通公司内的设计代号为AD48C。ND4型机车是由阿尔斯通公司在法国国铁CC 72000型内燃机车基础上，根据中国铁路的使用要求专门设计制造的4000马力干线货运内燃机车，两者均装用一台阿尔萨斯机械制造公司制造的16缸高速柴油机，而车体结构、转向架等方面均有许多相似之处，并采用了和6G、8K型电力机车相似的系列化司机室。

1973年11月，ND4型机车运抵中国，50台机车全部配属北京铁路局丰台机务段，开始了丰台机务段干线牵引机车内燃化的进程。从1970年代中至1980年代初，ND4型机车曾经是京原铁路丰台西至灵丘、京山铁路丰台西至南仓、丰沙铁路丰台西至张家口区段的主力货运机车，主要担当“晋煤外运”煤炭重载列车的牵引任务。至1984年后，丰台机务段大量配属从美国进口的ND5型内燃机车并投入丰沙、京原铁路运用，大部分ND4型机车改为投入京山铁路运用。

随着机车运用时间日渐增长，由于种种原因，导致ND4型机车始终无法获得全面性维修、机车质量日益下降，机车老化问题严重。至1980年代末，每台ND4型机车已经平均走行了240～250万公里，主要质量问题和事故包括柴油机机体裂纹、活塞破损爆缸、曲轴颈烧损、牵引电机接地、电线短路和油管破裂导致机车火灾等问题。由于ND4型机车为进口机车，机务段和机车检修厂并不具备整车大修的能力，因此ND4型机车仅能由丰台机务段进行有限度的段修工作。为了维持机车基本质量，铁道部决定从1987年开始，对ND4型机车逐台投资100万元人民币实行简易厂修，增加了车体、转向架、电机的检修范围。然而，由于简易厂修能力有限，对一些威胁行车安全的质量问题仍然束手无策，而国产化部件往往价格偏高或质量不达标，因此机务段实际上对ND4型机车的质量并没有太大把握。

1980年代末，针对ND4型机车的状况，铁道部制定了“维持使用、逐步淘汰”的原则，从1990年代起开始对ND4型机车择劣报废；同时又将ND4型机车从主要干线撤换下来，在北京铁路枢纽内京门铁路、西北环线等支线担当小运转、调车任务，并转配部分机车至南口机务段、张家口机务段作为小运转机车使用（段修仍然在丰台机务段进行），以减轻机车负担。经过逐年报废，1995年末北京铁路局仅余下28台ND4型机车，至1997年末进一步减少至16台。

2004年4月，最后三台ND4型机车的其中两台（46、05）报废拆解，仅余下一台15号机车，放置于丰台机务段内偏僻的储备厂。

对于硕果仅存的ND4型15号机车，中国铁路迷曾经多番呼吁，希望有关部门能让这台机车进入博物馆永久收藏，避免它沦为一堆废铁。2012年3月，中国铁道博物馆馆长王新桥对媒体表示，“ND4最好的归宿是送到铁博当做展品”，并已经开始就外观修复进行调研；同年4月11日，中国铁道博物馆和丰台机务段开始对ND4型15号机车进行整修工作，修复的重点是外观和司机室，在向民众征集ND4机车的零件的同时，也对已无原厂配件的部件进行仿制。

ND4型15号机车已于2013年1月25日，交由中国铁道博物馆永久收藏，经鉴定后被定为国家二级文物。

ND4型机车采用承载式焊接钢结构车体，两端设有同等功能的司机室，可双向操纵机车，并设双侧内走廊。机车从前到后依次分别为1端司机室、辅助装置室、冷却室、动力室、电阻制动柜室、2端司机室。动力室位于机车中部，安装了一套柴油发电机组，以及空气滤清器、车体通风机、起动风泵、空气压缩机、起动机油泵等辅助装置。冷却室内设有散热器组和冷却风扇、起动风缸等。辅助装置室内设有预热锅炉、牵引电动机通风机、制动装置柜、水箱等设备。电阻制动柜室内设有电阻制动柜、整流器柜和电器控制柜。机车下部两台转向架之间吊挂着燃油箱、蓄电池和总风缸。机车标称功率2150千瓦，构造速度为100公里/小时，整备重量138吨。

ND4型机车装用一台由阿尔萨斯机械制造公司（SACM）设计制造、与法国国铁CC 72000型机车相同的AGO V16 ESHR型柴油机，属于AGO大缸径柴油机系列。该型柴油机为16气缸、四冲程、废气涡轮增压的直喷式V型高速柴油机，在50°V形夹角上方布置两套增压器和中冷器。气缸直径为240毫米，活塞行程为220毫米，标定转速为每分钟1350转，使用转速范围为每分钟550～1250转。柴油机标定功率为2940千瓦，装车功率为2680千瓦。

ND4型机车是一种采用自动延时电控风启动的内燃机车，机车起动时由起动风缸和起动风泵提供压缩空气，高压空气经空气分配器和启动阀按柴油机点火顺序流入气缸并推动活塞，当曲轴达到稳定转速后停止供气，同时喷油泵供油点火，从而驱动柴油机，整个过程均为自动控制，司机只要按下“启机”按钮，可以自动完成上述动作启动柴油机。

传动装置为交-直流电传动，柴油机通过弹性联轴器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。此外，牵引发电机的轴端通过万向轴带动定子发电机，用于对牵引发电机励磁，并向蓄电池充电及辅助回路供电。ND4型机车采用TAO-659型牵引电动机，额定功率为342千瓦，设有一级磁场削弱。

机车走行部为两台三轴无导框式钢板焊接结构转向架，轴式Co-Co。悬挂装置基本继承了CC 72000型机车的模式，采用阿尔斯通公司传统的无导框滚柱轴承式轴箱、轴箱拉杆定位，一系悬挂为轴箱螺旋钢弹簧与弹性定位拉杆悬挂结构，二系悬挂为橡胶堆全旁承承载；牵引力和制动力通过牵引中心销传递；这种悬挂方式后来亦被韶山3型电力机车沿用。牵引电机悬挂方式为滑动抱轴承式半悬挂，牵引齿轮传动比为4.64。