段调入最早生产的两台原型车（0241、0242）；同时，原来配属丰台机务段的ND5型柴油机车亦逐步调往上海、沈阳、济南机务段。丰台机务段的东风4D型货运机车主要担当京山铁路丰台西至南仓的5000吨重载货物列车，以及京原铁路丰台西至灵丘、京九铁路丰台西至聊城北的货物列车牵引任务。2010年代初，随着京九铁路北段完成电气化改造，丰台机务段大量配属HXD3B型电力机车，并开始将HXN5型柴油机车投入京原铁路运用，丰台机务段于2011年调出23台东风4D型货运机车，其中大部分转配南宁铁路局柳州机务段，其余部分则转配