4D型准高速机车早期曾配属唿和浩特机务段，唿和浩特铁路局实施运输站段管理体制改革及撤销唿和浩特机务段后，机车分别配属集宁机务段及包头西机务段，主要用于牵引京包铁路、包兰铁路、包白铁路、集二铁路、临策铁路的旅客列车，亦包括了K3/4次国际联运列车在集宁南至二连之间的牵引任务。2012年至2015年，集宁机务段曾派出3台东风4D型准高速机车（3207～3209）入助太原铁路局太原机务段，用于牵引南同蒲铁路的客运列车。2019年5月，集宁机务段的东风4D型3207号及3208号机车参与了唿张客运专线联调联试。