代曾长时间被全苏内燃机车科学研究院用于转向架的试验和研究。1983年，伏罗希洛夫格勒工厂生产了2TE121-005号机车，从这台机车开始采用经过改进的5Д49型柴油机，并重新设计了车头外观，同年开始小批量生产。首批10台2TE121型柴油机车配属北方铁路局伯朝拉机务段投入使用，并显示出良好的效益。2TE121型机车的燃油消耗平均比2TE10V型机车降低了8～10%；同时由于机车功率较大，不仅能够提高货物列车牵引重量，而且也能缩短区间运行时分、提高列车赶点能力。此外，2TE121型机车也具有较好的司机工作