东风4D型内燃机车
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东风4D型准高速客运机车自2000年5月起投入批量生产，至2013年停产为止大连机车车辆公司累计生产了340台，机车编号为3001～3340。其中，2000年交付60台，2001年交付99台，2002年交付111台，2003年交付40台，2004年交付12台，2007年交付11台，2012年交付7台。从2003年下半年生产的3213号机车起，按铁道部规定改为采用标准化司机室。按工厂与铁道部商定的2003年第一批产品议标价格，当时东风4D型准高速客运机车的价格为每台748.66万元人民币，如采用规范化司机室另加价9.84万元。东风4D型准高速客运机车配属哈尔滨铁路局、沈阳铁路局、呼和浩特铁路局、北京铁路局、上海铁路局、南昌铁路局、南宁铁路局、郑州铁路局、武汉铁路局、青藏铁路公司以及内蒙古集通铁路公司。2010年代末，随着在中国各地的许多铁路干线逐步完成电气化改造、新一代的和谐型大功率电力机车大量投入运用，东风4D型准高速客运机车的运用范围亦不断缩小。部分机车被改为用于牵引各地铁路新线正式开通前的联调联试检测列车，以及作为分布在高速铁路沿线的应急热备内燃机车。
哈尔滨铁路局三棵树机务段于2000年配属首批11台东风4D型准高速机车（3016~3021、3030～3034），2001年增配10台（3086~3095），2002年增配25台（3160~3163、3198~3203、3232~3239、3245~3251），曾经被广泛用于牵引京哈铁路、滨洲铁路、滨绥铁路、拉滨铁路、滨北铁路等方向的旅客列车。2003年至2004年，哈尔滨铁路局增加22台东风4D型准高速机车，其中17台分配到三棵树机务段（3296~3303、3311~3319），其余5台配属齐齐哈尔机务段（3306~3307、3320~3322）。2010年起，三棵树机务段陆续接收了不少从北京、上海、济南、武汉、郑州等铁路局转配的东风4D型提速机车和准高速机车。2015年，随着三棵树机务段配属了50台从北京、武汉、南昌等铁路局转配的东风11型柴油机车，三棵树机务段将部分东风4D型准高速机车调拨到佳木斯机务段，担当佳富铁路、图佳铁路、绥佳铁路、平齐铁路等非电气化铁路的旅客列车牵引任务。2018年起，由于滨洲铁路完成电气化改造后三棵树机务段增配电力机车，三棵树机务段的部分东风11型柴油机车转配佳木斯机务段，哈尔滨局集团公司开始将部分车况较差的东风4D型机车报废或封存于穆棱，并有少部分机车被转配到牡丹江机务段。
沈阳铁路局是最早使用东风4D型准高速机车的铁路局，首两台原型车（3001~3002）于1999年11月配属沈阳机务段进行运用考核。2001年，沈阳机务段增配8台东风4D型准高速机车（3096~3103）。沈阳机务段的东风4D型准高速机车初期主要用于牵引沈山铁路及沈大铁路的旅客列车，该两线完成电气化改造后，改为投入沈丹铁路、沈吉铁路、营口铁路等地运用。2006年，为配合青藏铁路全线开通，沈阳机务段将东风4D型3001号、3096号、3098号机车调拨给青藏铁路公司西宁机务段。2010年起，沈阳铁路局陆续接收了部分从南昌铁路局、上海铁路局转配的东风4D型准高速机车，分配给沈阳机务段、锦州机务段使用，并投入锦承铁路、新义铁路、叶赤铁路使用。2016年，沈阳机务段的东风4D型3283号机车改用了红色车身配黄色腰带的特殊涂装，专门用于牵引中国铁路沈阳局集团的“共产党员号”党员流动课堂列车，替换同样采用特殊涂装的东风4B型2490号机车。2020年9月，东风4D型3283号机车恢复原本的涂装。2020年8月，锦阜高铁路扩能改造及新义铁路电气化改造完成，锦州机务段派出两台东风4D型准高速机车用于牵引接触网热滑试验车。
呼和浩特铁路局呼和浩特机务段于2001年配属首批7台东风4D型准高速机车（3104~3106、3156~3159），担当京包铁路包头至大同之间的客运交路。2002年，呼和浩特机务段继续增配了19台东风4D型准高速机车（3164~3172、3207~3213、3258~3260）。2007年，呼和浩特铁路局实施运输站段管理体制改革、撤销呼和浩特机务段后，这些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、临哈铁路的旅客列车，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。2013年起，随着集宁机务段开始配属韶山9型电力机车，东风4D型准高速机车逐渐退出了京包线特快列车交路。2019年5月，集宁机务段的东风4D型3207号及3208号机车参与了呼张客运专线联调联试。
北京铁路局自2000年起开始配属东风4D型准高速机车，并曾经是东风4D型准高速机车的最大用户，截至2004年末共配属该型机车98台，其中天津机务段83台、保定机务段7台、邯郸机务段6台、北京西机务段2台，主要用于牵引京山铁路（北京—天津—山海关）、京沪铁路（北京—天津—徐州）、京秦铁路（北京—秦皇岛）、津霸铁路（天津—霸州）、京九铁路（北京西—霸州—聊城）的客运列车。2005年，北京铁路局实施生产力布局调整后，北京铁路局的东风4D型准高速机车全部配属北京机务段，分属北京西、天津运用车间。2010年，部分准高速型机车调入石家庄电力机务段。2013年，由于北京机务段向天津机务段（天津机务段于2011年11月重新成立）转配部分东风11型柴油机车，同时天津机务段开始支配运用HXD3C型电力机车，因此天津机务段又向唐山机务段、石家庄电力机务段调出了部分东风4D型准高速机车。2014年7月，北京铁路局开通运营连接京津冀城市群的京津冀铁路快运专列，并由天津机务段的东风4D型准高速机车牵引。2015年4月，天津至蓟州的津蓟铁路市郊客运列车正式通车，使用天津机务段天津北运用车间的东风4D型准高速机车牵引。截至2016年末，北京铁路局配属东风4D型准高速机车40台，分别配属天津机务段、北京机务段、石家庄电力机务段。2018年起，天津机务段开始封存部分车况欠佳的准高速内燃机车。2019年10月，天津机务段的两台东风4D型准高速机车参与了京张城际铁路通车前的联调联试。2020年7月，天津机务段的两台东风4D型准高速机车转配属石家庄电力机务段阳泉运用车间，参与阳大铁路（阳泉城际铁路）通车前的联调联试。
济南铁路局于2001年配属首批7台东风4D型准高速机车，其中4台分配到济南机务段（3116~3118、3120），3台分配到徐州机务段（3119、3154、3155），投入京沪铁路（济南—徐州—蚌埠）运用。2002年，济南机务段增配1台机车（3244），徐州机务段增配4台机车（3240~3243）。至同年底，济南铁路局共配属12台该型机车，主要担当京沪铁路、石德铁路、胶济铁路、蓝烟铁路、兖石铁路的客运牵引任务。2006年，为配合青藏铁路全线通车，济南机务段将4台东风4D型准高速客运机车（3116～3119）调拨给青藏铁路公司西宁机务段。2010年10月起，济南机务段开始配属HXD3C型电力机车。此后，济南机务段的东风4D型准高速客运机车陆续转配哈尔滨铁路局。
郑州铁路局郑州机务段于2000年配属首台东风4D型准高速客运机车（0060），随后又于分别2002年增加21台（3178~3187、3221~3231）、2003年增加10台（3271~3280），曾长期担当郑州至徐州、蚌埠、阜阳间的旅客列车牵引任务。2006年，京沪铁路及陇海铁路郑州至徐州段完成电气化改造后，郑州机务段增配韶山7E型电力机车担当郑州至上海的客运机车长交路。此后，随着郑州机务段先后增配HXD3型、HXD3C型电力机车，该段配属的东风4D型准高速客运机车亦逐步调往武汉铁路局、哈尔滨铁路局和南宁铁路局。2012年7月，郑州机务段的东风4D型准高速客运机车全部调出。
武汉铁路局武昌南机务段于2007年起接收了部分从郑州铁路局郑州机务段转配的东风4D型准高速客运机车，主要用于牵引武九铁路及京九铁路方向（武昌（汉口）—九江—南昌）的旅客列车。2009年，武昌南机务段向襄樊北机务段调出东风4D型准高速客运机车，担当焦柳铁路和鸦宜铁路（襄樊—宜昌、宜昌—石门县北）的客运牵引任务。截至2009年末，襄樊北机务段配属8台东风4D型准高速客运机车（3060、3178、3180、3182、3184、3275、3276、3277）。随着焦柳铁路洛阳至张家界段完成电气化改造，襄阳机务段（襄樊北机务段于2011年6月改称襄阳机务段）开始支配运用江岸机务段的HXD3C型电力机车。2014年，襄阳机务段的东风4D型准高速客运机车全部转配哈尔滨铁路局三棵树机务段。
上海铁路局上海机务段、杭州机务段、南京（南京东）机务段、合肥机务段、阜阳机务段均曾经配属东风4D型准高速客运机车。2000年，阜阳机务段开始配属首批15台机车（3035~3042、3053~3059），担当京九铁路聊城至阜阳之间的旅客列车牵引任务。2001年，上海机务段配属4台东风4D型准高速客运机车（3071～3074），投入沪宁铁路并用来牵引沪宁城际特快列车；同年，另外12台机车（3075~3080、3141~3146）交付杭州机务段，投入沪杭铁路、浙赣铁路使用。2002年，上海铁路局继续增配东风4D型准高速客运机车，其中杭州机务段增加32台（3189~3197、3204~3206、3214~3320、3252~3257、3264~3270），上海机务段增加1台（3188）。2003年，上海铁路局增配10台东风4D型准高速机车，分配到杭州机务段（3281~3285）、南京机务段（3306~3307）、合肥机务段（3308~3310）；同时，阜阳机务段接收戚墅堰机车车辆厂新造的东风11型柴油机车，替换下来的东风4D型准高速客运机车转配属上海机务段，同时并将上海机务段的东风4D型提速客运机车转配属杭州机务段及南京机务段。当时，上海机务段的东风4D型准高速客运机车主要用于上海—南京—蚌埠、上海—杭州—金华西之间的机车交路。2004年，中国铁路实施第五次大面积提速后，上海机务段的所有东风4D型准高速客运机车分别转配属南京机务段、杭州机务段及合肥机务段，担当沪杭铁路、浙赣铁路、萧甬铁路、宁铜铁路、皖赣铁路、宣杭铁路、淮南铁路、阜淮铁路、水蚌铁路等线的客运任务。当时，上海铁路局共配属74台东风4D型准高速客运机车，其中杭州机务段48台、南京机务段10台、合肥机务段16台。2010年起，随着上海铁路局不断增配各种型号的电力机车，部分东风4D型准高速客运机车被调拨给南宁铁路局、沈阳铁路局、哈尔滨铁路局及乌鲁木齐铁路局。2017年，随着阜淮铁路和淮南铁路完成电气化改造，合肥机务段增配HXD3C型电力机车和东风11型柴油机车，东风4D型准高速客运机车运用范围进一步缩小，部分状况欠佳的机车开始被封存。同年，南京东机务段和杭州机务段的东风4D型准高速客运机车全部调出。2019年2月，皖赣铁路芜湖至宣城段和宣杭铁路完成电气化改造，合肥机务段的东风4D型机车退出合肥—芜湖—杭州的图定客运交路，部分机车分别被封存于芜湖东运用车间及淮南西运用车间等地。2020年5月，部分封存机车重新启用并调拨到呼和浩特局集团公司和成都局集团公司。
南昌铁路局南昌机务段、向塘机务段、鹰潭机务段均配属或曾经配属东风4D型准高速客运机车。2000年，南昌机务段配属首批10台东风4D型准高速客运机车（3043~3052），担当京九铁路阜阳—南昌—赣州之间的客运交路。2001年，为配合全国铁路第四次大提速的实施，南昌机务段增配了多达35台东风4D型准高速客运机车（3061~3070、3081~3085、3121~3140），投入京九铁路和浙赣铁路运用，担当南昌至株洲、金华西、龙川间的客运牵引任务，同时并淘汰了该段的所有ND2型柴油机车。2003年至2004年，南昌机务段继续增配了8台机车（3261~3263、3286~3290）。至2004年底，南昌机务段配属共53台东风4D型准高速客运机车。2006年6月，为配合青藏铁路全线开通，南昌机务段将东风4D型3125号及3139号机车调拨给青藏铁路公司西宁机务段。2007年中国铁路第六次大提速后，南昌机务段的东风4D型准高速机车交路进一步延长，以南昌为中心、东至上海、西至株洲、北至阜阳、南至深圳均可见其踪影。2013年至2014年间，随着南昌机务段增配HXD1D、HXD3D型电力机车，南昌机务段逐步向向塘机务段和鹰潭机务段（鹰潭机务段于2011年重新成立）调出东风4D型准高速客运机车，另外亦有部分机车转配属成都铁路局用于新线开通前的联调联试。至2014年底，南昌机务段的东风4D型准高速客运机车已全部调走。向塘机务段及鹰潭机务段的东风4D型准高速客运机车，主要用于牵引沪昆铁路（株洲—向塘—鹰潭—金华西—上海南）、京九铁路（向塘—赣州）、皖赣铁路及宁芜铁路（鹰潭—绩溪县—南京）的旅客列车。2018年起，向塘机务段开始利用东风4D型准高速机车牵引小运转货物列车，鹰潭机务段也将部分状况较差的东风4D型机车封存于景德镇运用车间。
南宁铁路局（原柳州铁路局）于2001年起配属东风4D型准高速客运机车。2001年，首批5台机车（3107～3111）配属柳州机务段，担当湘桂铁路的特快旅客列车牵引任务。2002年至2003年，按照柳州铁路局“增吨、压点、加密、提速”的方针，为桂林机务段配属了10台东风4D型准高速客运机车（3173～3177、3291～3295）。2005年4月，桂林机务段合并到柳州机务段，原担当交路改由柳州机务段担当。自此，柳州机务段的东风4D型准高速机车主要担当湘桂铁路衡阳—柳州—南宁、黎湛铁路柳州—玉林—湛江之间的客运交路。2010年起，焦柳铁路柳州至怀化、益湛铁路永州至玉林间的部分客运列车亦开始使用东风4D型机车牵引。2011年至2012年，南宁铁路局从郑州铁路局和上海铁路局调入东风4D型准高速机车。2016年，柳州机务段的部分东风4D型机车转配南宁机务段，将其投入南凭铁路（湘桂铁路南宁至凭祥段）运用，并开始担当T8701/8702次中越国际联运列车在南宁至同登之间的牵引任务，而置换出来的东风4B型机车则调整至湘桂铁路北段运用。2019年2月，朝鲜国务委员长金正恩与美国总统唐纳德·特朗普在越南举行第二次朝美首脑峰会，金正恩乘坐的专列取道中国前往越南河内；2月26日上午，金正恩专列由南宁机务段的东风4D型3058号机车牵引，经南凭铁路从南宁抵达越南边境城市同登车站。
成都铁路局为满足高铁新线开通前的检测需要，于2013年起配属东风4D型准高速客运机车。2013年，成都机务段和贵阳机务段接收了部分从南宁铁路局柳州机务段转配的东风4D型准高速客运机车，主要用于在高速铁路开通前牵引检测列车进行时速160公里以下的各种试验。2014年6月，因应川渝贵三省市之间的多条铁路即将建成，南昌铁路局南昌机务段向重庆机务段转配了7台东风4D型准高速客运机车。2013年至2021年，成都铁路局的东风4D型准高速客运机车先后参与了渝利铁路、重庆枢纽货车外绕线、贵开城际铁路、贵广客运专线、成绵乐客运专线、成渝客运专线、渝万城际铁路、沪昆客运专线、兰渝铁路、西成客运专线、渝贵铁路、成雅铁路、成蒲铁路、成贵客运专线、安六高速铁路、绵泸高速铁路内自泸段的联调联试。此外，成都机务段于2017年与武汉征原电气公司合作对东风4D型3137号机车进行了DC600V机车直供电改造，使机车能够向旅客列车直接提供单路600V直流电源；机车以直供电整流柜和牵引整流柜代替了原来的硅整流装置，两者并联在牵引发电机的输出端，通过PID闭环调节方式控制晶闸管整流桥电路，并以ZY2000微机控制系统代替了励磁调节装置，牵引功率可按列车供电输出功率自动转移，最大供电功率为400千瓦。
乌鲁木齐铁路局于2000年起配属东风4D型准高速客运机车，当年首批3台机车配属哈密铁路分局柳园机务段（3013~3015），至2001年又再度增配2台机车（3152~3153），与东风11型柴油机车（高原型）共同担当兰新铁路哈密—柳园—嘉峪关间的提速旅客列车牵引任务。2004年，根据铁道部生产力布局调整指导意见，乌鲁木齐铁路局将柳园机务段划归哈密机务段，设哈密机务段柳园机务分段。2006年2月，随着生产力布局调整的进一步实施，乌鲁木齐铁路局撤销哈密机务段，将其整体并入乌鲁木齐机务段，乌鲁木齐铁路局的东风4D型准高速机车均配属于乌鲁木齐机务段。北疆铁路和兰新铁路全线分别于2011年和2012年完成电气化后，乌鲁木齐铁路局的东风4D型机车主要用于奎北铁路（奎屯—阿勒泰）、南疆铁路（吐鲁番—喀什）、喀和铁路（喀什—和田），亦有少数东风4D型准高速客运机车转配给库尔勒机务段。2015年，南疆铁路吐鲁番至库尔勒第二双线开通后，东风4D型机车的运用范围进一步收缩。2018年，鱼焉铁路（老南疆铁路天山段）恢复开行库尔勒至和静的快速旅客列车，使用乌鲁木齐机务段的东风4D型准高速机车牵引。
青藏铁路公司于2006年起配属东风4D型准高速客运机车。2006年5月至6月，为确保青藏铁路于当年7月1日全线开通，铁道部指示哈尔滨铁路局、沈阳铁路局、济南铁路局、上海铁路局、南昌铁路局、柳州铁路局抽调出共27台东风4D型准高速客运机车，调拨给青藏铁路公司西宁机务段使用，担当兰青铁路兰州至西宁、青藏铁路西宁至格尔木区段的旅客列车牵引任务，这批机车于2006年6月5日全部抵达西宁机务段。与此同时，东风4D型准高速客运机车还参与了青藏铁路格拉段的旅客列车高原综合运行试验，并成功重联牵引16辆编组的25T型高原客车到达拉萨。2006年7月1日晚上8时07分，作为青藏铁路首发进藏列车的N917次旅客列车，由东风4D型3199号及3200号机车双机重联牵引从西宁站出发。2009年8月，兰青铁路完成增建二线及电气化改造后，该线客运机车交路交由兰州铁路局兰州西机务段的韶山7E型电力机车担当，替换下来的东风4D型准高速客运机车改为用于牵引青藏铁路西格段的行包列车。2011年，随着青藏铁路西格段复线电气化竣工，西宁西至格尔木间的客运机车交路由西宁机务段的HXD1C型电力机车和东风4D型柴油机车共同担当。2014年12月10日实施新运行图安排以后，HXD1D型电力机车（高原型）投入青藏铁路运用，西宁机务段的东风4D型准高速客运机车退居二线，部分机车转为西宁站的专用调车机车，负责西宁客技站内客车底解编，并兼顾西宁站客车底取送作业，而部分状况较差的机车则开始被封存。2016年6月，青藏铁路公司首次开行前往茶卡盐湖景区的季节性旅游列车，列车在茶卡铁路察汗诺至茶卡之间使用东风4D型准高速机车牵引。2020年6月，西宁机务段派出两台东风4D型准高速机车牵引格库铁路青海段的联调联试动态检测列车。
内蒙古集通铁路集团公司是东风4D型准高速客运机车在中国国家铁路以外的唯一一个地方铁路用户。集通铁路公司于2007年订购了11台东风4D型准高速客运机车（3323～3333），这批机车改用了最大运用速度为150公里/小时的牵引齿轮传动比，以适应集通铁路部分区段坡度较大的情况。2012年，集通铁路公司再次向北车大连机车车辆公司订购了另外7台东风4D型准高速客运机车（3334～3340），这批机车的牵引齿轮传动比又与前一批机车不同，最大运用速度为170公里/小时。集通铁路公司的东风4D型准高速客运机车全部配属大板机务段，主要担当集宁南—大板—通辽之间的客运交路，另外亦被用于牵引锡桑铁路、锡乌铁路、锡二铁路的旅客列车。