东风4D型干线客、货运柴油机车的研制成功后，为满足地方厂矿企业对大功率
调车机车的需求，大连机车车辆厂于1998年决定在东风4D型
货运机车基础上，研制开发4000马力重型调车柴油机车，形成东风4D型机车系列化。1998年9月，东风4DD型调车机车技术设计方案通过大连厂厂内设计评审；同年10月6日，大连机车车辆工厂正式下达
设计任务书，至1999年2月完成施工设计并投入试制；同年6月，首台东风4DD型调车机车（车号1001）落成，并交付
洛阳石化公司（中国石化
洛阳分公司）使用。
首29台东风4DD型机车于1998年至2002年间制造，车号为1001～1029；从2003年起生产的东风4DD型机车，车号改为由0030开始。东风4DD型机车是中国国内造价最高的
调车机车车型，每台造价超过500万元人民币（2007年价格），比东风7C型、东风5型等普通调车机车高出近一倍多；因此
中华人民共和国铁道部为国家铁路的采购数量不多，东风4DD型机车的主要用户均为
冶金、
煤炭、
化工、
电力系统等行业的路外工矿企业。截至2010年，大连机车车辆公司累计生产了290台东风4DD型机车（不含改进型机车），车号为1001～1029、0030～0290，主要用户包括淮北矿业集团铁路运输处、
天津市铁路集团、
广铁集团粤海铁路公司海南机务段、
兖矿集团铁路运输处、
平顶山煤业集团铁路运输处、
连云港港口集团等。
为进一步提高
大秦铁路运输能力，满足
编组站推送10000吨重载列车驼峰调车作业的需要，大连机车车辆公司根据铁道部关于调车机车实现“系列化、标准化、模块化、信息化”的要求，对东风4DD型调车机车做出了一些改进，于2004年开始研制东风4DD改进型机车；同年12月，机车技术设计方案通过铁道部机务局设计评审，2005年试制成功。
与原东风4DD型机车相比，改进型机车的机车性能和运用可靠性均有所提高。主要差异包括，机车轴重和整备重量分别由23±3%吨、138±3%吨提高到25±3%吨、150±3%吨，起动和持续
牵引力分别由422、358千牛改为480、331.8千牛，柴油机以整体铸造机体取代了焊铸组合机体，并改装进口的喷油器、喷油泵、调速器等零部件，而
牵引电机、主发电机、硅整流柜、微机控制装置、
空气压缩机等均改装性能和可靠性更好的型号，并增加了LKJ2000型监控装置和
电阻制动装置。
大连机车车辆公司于2005年间累计生产了8台东风4DD改进型
调车机车，车号为4180～4187，分别配属
太原铁路局湖东电力机务段秦东运用车间、柳村运用车间使用，担当秦皇岛枢纽内
秦皇岛东站、
柳村南站的调车及小运转任务。
根据调车机车作业特点，东风4DD型柴油机车采用单司机室、外走廊结构的车架承载罩式车体，机车中部两侧及两端设有露天走台与扶梯。机车车体从前到后依次为为电气室、司机室、传动室、动力室、冷却室及辅助室。电气室内设有机车操纵用的各种电器设备，电气室并设有中间走廊和前端门，当机车重联时方便司机通过到另一台机车；司机室内对角布置有两台相同的操纵台，以便司机选择任意一个方向操纵机车；传动室内设有主发电机励磁机、启动发电机、前转向架牵引电动机通风机，以及硅整流柜、制动电阻柜等设备。动力室在机车中部，安装了一套
柴油发电机组，以及燃油预热器、
燃油输送泵、静液压泵等，在柴油机自由端方向并装有膨胀水箱、
机油热交换器、
机油滤清器及各种管路。冷却室内设有V型结构的
散热器和
冷却风扇，下方设有后转向架
牵引电机通风机、静液压变速箱、两台
空气压缩机等设备。车底两台转向架之间设有燃油箱、总风缸和蓄电池箱。机车车体外形采用计算机辅助设计（CAD），机车头型包括司机室、电气室的外观造型设计参考了北美柴油机车，各部分比例、司机室室内布置及其
人机工程学等方面都尽可能采用
黄金分割原理。
机车装用一台与东风6型、东风4D型机车相同的16V240ZJD型柴油机，属于240/275系列产品之一。该型柴油机是在16V240ZJB型柴油机基础上，通过与英国里卡多咨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，为16
气缸、
四冲程、
废气涡轮增压的直喷式V型中速柴油机，采用焊铸组合机体或整体铸造机体（改进型）、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，满功率运转时燃油消耗率为每千瓦小时207克。
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。东风4DD型机车采用了TQFR-3000E型同步牵引发电机、ZD109Z（ZD109B1）型直流牵引电动机；改进型机车改为采用JF213型同步牵引发电机、ZD109L型牵引电机（采用进口
轴承）。
机车走行部为两台相同的三轴转向架，轴式Co-Co。轴箱采用
滚动轴承；一系悬挂采用独立轴箱拉杆定位圆弹簧加液压减震器，二系悬挂采用橡胶摩擦旁承或橡胶堆旁承（改进型），牵引力和制动力通过低位四连杆机构牵引装置传递。牵引电动机采用滚动轴承抱轴半悬挂结构，实现抱轴轴承一个大修期内免维护，消除
滑动轴承（轴瓦）的碾瓦故障。转向架并安装了轮缘润滑装置。