国鉄DD51形ディーゼル機関車
基本構成
側面から見ると凸型となる車体全長中央部に運転台を備えており、前後に合計2基のエンジンを搭載した大型機関車である。2軸ボギー台車3組を装備し、うち両端台車が動力台車 (DT113B) とされ、無動力の中間台車 (TR106) によって全体の軸重を軽減している。
幹線用の大型機関車としては世界でも一般的とは言い難い、小型機関車と同様の中央部運転室を持つ凸型車体を採用したが、この形態を採用した理由は、最大軸重の制限による軽量化要請への優位性、エンジン回りの整備性の良さ、機器配置の容易さなどによるものである。ただし、DD13形や後のDE10形、DD16形、といった小型機と異なり、運転台は前後方向に共通ではなく、機関士・運転士は進行方向側の運転台に前方を向いて座る。全長は大きいが、B-2-B軸配置による重量負担配分と、凸型車体運転台前後のボンネットとの間に緩衝ゴムを挟んだ柔結合として台枠自体の垂直強度をある程度落すことを許容し軽量化したことにより軸重の低減を実現した。
エンジンは、入換・支線用小型機DD13形で使用されていたDMF31S形をベースにして新開発されたDML61Z形ディーゼルエンジンで、気筒の数を直列6気筒からV形12気筒に変更、排気過給機（ターボチャージャー）と中間冷却器（インタークーラー）を装備して、最大出力が1100ps / 1500rpmとなり、それを2基搭載して、総出力2200psを出すことができる。ノッチは14段階。
動力伝達方式は、軌道の重量制限に対処する軽量化のため日本国外大型機関車の主流である電気式をやめ、日本での量産大型ディーゼル機関車では初めて液体式として製造された。液体変速機は3組のトルクコンバータを内蔵した充排油式（フォイト式）のDW2Aで、新たに開発されたものである。動力伝達システムは、両端の動力台車2基4軸を、前後のボンネット内にある1エンジンに1変速機の組合わせの動力装置と、その動力により駆動する2軸駆動の1台の動力台車の構成により動力が伝達されるシステムとなっており、エンジンと運転室側にある逆転機内蔵の液体変速機の間に第1推進軸、液体変速機と動力台車に内蔵された第1減速機（動力台車の運転室側）の間に第2推進軸、第1減速機と同じく内蔵された第2減速機（動力台車の先頭側）の間に第3推進軸がそれぞれ連結され、動力が伝達される。
また、エンジンの冷却系機器として先頭部両側面にラジエーターとその上部にファンを装備しており、補機駆動軸充電発電機と空気圧縮機を駆動させ、機関潤滑油・変速機油・機関と中間冷却器の冷却水をポンプで循環させることで、オイルおよびラジエーターを冷却している。
車体中央にある中間台車（付随台車）は、開発当初、全体の軸重を亜幹線基準の14tに抑制する手段に過ぎなかったが、増加試作機ではライナー挿入、さらに量産車では空気バネを搭載して空気バネ内の空気圧を調整することにより、動力台車の軸重を14tと15tとの2段階に調整できるようになった。これによって、亜幹線への入線能力と、規格の高い重幹線での動輪粘着力確保を両立可能としている。
半重連形（501 - 592号機）
501 - 592号機が該当する。
釣り合い引き通し管を装備していないため、重連運転時に前位の本務機が単独ブレーキ弁（単弁）を操作したときは本務機のブレーキのみが作動し、次位の補機はブレーキが作動しない。半重連タイプはJRには継承されなかった。
548以降は、ブレーキ力増大のため中間台車にも基礎ブレーキ装置を装備したために台車形式はTR106形となる。ブレーキ装置のスペース確保のため、床下の燃料タンク容量が4,500Lから4,000Lに減少している。
587 - 592の6両は蒸気発生装置 (SG) 未搭載車として落成している。800番台のような本格的なSG非搭載車とは異なり、SG用ボイラを積載していないだけでSG機器室などの関連機器は省略されていない。
半重連形のうち、美濃太田機関区（現・美濃太田車両区）所属だった592は、国鉄名古屋鉄道管理局（当時）の12系欧風客車「ユーロライナー」の運用開始にあたり、塗色を「ユーロライナー」色に変更し高山本線・紀勢本線・参宮線などで同客車を牽引し、岡山鉄道管理局（当時）所属の「ゆうゆうサロン岡山」も牽引したものの、塗色変更から1年半後の1987年2月に廃車された。全重連形の791も「ユーロライナー色」に塗装されていたが、こちらも2007年5月に廃車となっている。
半重連形は、北海道の釧路機関区配置車の一部に1981年ごろより余剰休車となる車両が現れ、その他の車両も1986年11月のダイヤ改正で全機運用を離脱し、1987年までに廃車された。
全重連形（593 - 799・1001 - 1193号機）
593 - 799・1001 - 1193号機が該当する。
釣り合い引き通し管を元空気だめ管の外側に両渡りで装備しており、重連運転時に本務機の単独ブレーキ弁（単弁）の操作が次位の補機まで作動するように改良された区分である。一部の半重連形で釣り合い引き通し管を新設し、全重連形に改造されたものも存在した。
1001以降は、500番台が799まで達したため貨物用800番台との重複を避け1001へ飛び番となったグループである。JRに継承されたものはこのグループが多い。このグループからナンバープレートが切り文字式からブロック式に変更された。1010以降は運転室内前後の天井に扇風機が設置されたため、運転室屋根に突起が2か所ある。また1052以降はラジエーターカバーが2分割タイプに変更された。
北海道地区に配置された500番台は半重連形と全重連形とを区別するため、区名札の隣に「半」「重」の識別札を挿入していた。2011年現在では北海道旅客鉄道（JR北海道）函館運輸所所属の重連形に「函」「重」の札が残るのみだが、国鉄時代は「築」「重」（小樽築港機関区）、「五」「重」（五稜郭機関区）、「釧」「半」（釧路機関区、半重連形）、「釧」「重」、「旭」「非」（旭川機関区、非重連形）などの組み合わせが存在した。
北海道内で使用された本区分のうち、1972年に前照灯をボンネット前端上に増設し、3灯化された車両が存在する。冬季降雪時の視界確保のためで、五稜郭機関区などに配置された5両 (710・716・741・742・745) に施工された。745は1986年に本州へ転属後も補助灯を存置し、東日本旅客鉄道（JR東日本）長岡車両センターに配置され2002年まで磐越西線などで使用された。また入換作業時の誘導係への連絡用として、スピーカーを装備した車両も北海道地区では多く見られた。
800番台（801 - 899・1801 - 1805号機）
製造時期：1968年 - 1978年
貨物列車の運用を主体とするため、SGを搭載せずに登場したグループである。SG関連機器やボイラ・タンクなどを省略し、運転室中央にあったSG機器室がなくなった。運転整備重量は約6t軽くなり、各軸の荷重負担割合が変化したことから中間台車の枕バネを変更し、滑走防止のためブレーキシリンダを縮小したTR106Aとなった。その他は基本的には同時期に製造された500番台の完全重連タイプの仕様に準じており、ナンバープレートやラジエーターカバーも時期を同じくして変更された。また855以降は運転室内に扇風機が設置されたが、500番台と異なり運転室屋根の中央に大きな突起が1か所あるのみである。北海道地区へは一時的に投入されたのみで、A寒地仕様車は存在しない。
当初の計画では貨物列車用の新形式「DD52形」を予定していたが、新形式の投入に際しては労働組合との間で難しい折衝を行う必要があったために、既存形式DD51形の仕様を変更する方針を採ったとされる。
JR東日本高崎車両センターに所属する842号機は非電化区間のお召し列車牽引機として用いられ、台枠側面の飾り帯やデッキ手すり・煙突カバーにステンレスが用いられている。なお、842号機はお召し列車運用の他、同センター配置の他機とともに管内のイベント列車などに使用されている。
1801号機以降は、800番台が899号機まで達したため、1801号機へ飛び番となったグループである。成田線および総武本線での成田空港向けジェット燃料輸送のために製造されたが、将来の客車列車牽引への転用も考慮してSG搭載の準備工事がされた。
派生形式
本形式は本線用機関車として大量に製作され、汎用性の高さから基本設計を踏襲した派生形式も多数製作された。詳細は各形式のリンク先を参照されたい。
今後の予定
JR貨物では、上述のとおりDF200形を改造した上で愛知機関区に転属させ、順次本形式を置き換えている。これによってJR貨物所属の車両はすべての車両が姿を消す予定。一方、JR東日本およびJR西日本所属の車両は、置き換えの対象には入っていない。