生产出153台东风4D型提速机车，配属到北京铁路局北京机务段、石家庄机务段及天津机务段、上海铁路局上海机务段及南京机务段、广州铁路集团长沙机务段、济南铁路局济南机务段及徐州机务段、郑州铁路局郑州机务段、沈阳铁路局沈阳机务段及山海关机务段、哈尔滨铁路局三棵树机务段等客运机务段，首先在京哈铁路、京广铁路、京沪铁路等干线投入运用。此后，东风4D型提速机车亦成为中国铁路第二、三次大提速的主型机车之一，并曾经参与陇海铁路、兰新铁路、京广铁路等干线的提速试验。1998年10月1日，中国铁路再次调整列车运行图，实施全国铁