參見：240/260系列柴油機
北京型6001號機車在二七機車廠進行組裝
早在1950年代末的大躍進運動期間，長辛店機車車輛工廠已經提出研製大功率內燃機車的計劃。1959年8月，長辛店機車車輛工廠、鐵道部科學研究院、天津動力機廠共同組成柴油機設計組，同年9月底完成了16V240Z型柴油機的初步圖紙設計（不應與大連機車車輛廠研製的16V240ZJ型柴油機混淆），技術指標為V型結構、16氣缸、氣缸內徑240毫米、活塞行程270毫米、標定功率3000馬力（2200千瓦）。1960年初，長辛店機車車輛工廠成立大功率內燃機車領導小組，並提出了3000馬力電力傳動幹線貨運內燃機車的設計建議書，同年4月完成設計圖紙並準備投入試製。1961年，時值三年困難時期，根據中共中央“調整、鞏固、充實、提高”和鐵道部“先修后造，以修為主，質量第一”的方針，該型機車在鐵道部於南口召開的內燃機車設計研究會議上被要求下馬。
北京型6001號機車
1966年，文化大革命的風暴刮到了北京二七機車車輛工廠（長辛店機車車輛工廠於1966年9月改稱北京二七機車車輛工廠），工廠的生產秩序受到嚴重衝擊。1968年9月，由解放軍8341部隊組成的軍宣隊進廠實施軍管，一批廠級幹部和中層幹部被結合進工廠領導班子，工廠各方面逐步恢復正常生產。同時，根據鐵道部“高速柴油機和中速柴油機並舉，電傳動和液力傳動並舉”的方針，二七工廠再度醞釀設計第二代國產內燃機車。1968年10月，二七機車車輛工廠以ND1型內燃機車修理車間為主體，與鐵科院機輛所組成臨時設計小組，開始對16V240Z型柴油機全面修改設計。隨著國際上機車柴油機的技術進步和功率提升，16V240Z型柴油機與國外同類型柴油機相比已相對落後，設計小組決定將16氣缸機型改為12氣缸，缸徑仍保持240毫米，活塞行程改為260毫米，功率等級仍然為3000馬力（2200千瓦），額定轉速由每分鐘1000轉提高至1100轉，修改設計后的機型稱之為12V240ZJ型柴油機。
文化大革命期間，毛澤東對鐵路牽引動力內燃化的進程給予特別的關注。1969年3月31日，毛澤東接見了北京二七機車車輛廠軍管會代表賈汀（周家鼎之化名，曾擔任過周恩來的軍事秘書，因受江青迫害而被周恩來安排到二七工廠“支工”），聽取了工廠“抓革命，促生產”的彙報。毛澤東特地就二七工廠是否上馬內燃機車的問題作出批示： “二七廠生產問題，當前以修為主，製造為次，可以搞點製造，多搞幾次試驗，方向要往這上走”。毛澤東的最高指示在那個時期有著絕對的權威性，“三·三一”批示激勵二七工廠加快研製步伐。1969年7月15日，第一台12V240ZJ型柴油機在二七工廠完成組裝，隨後又完成了第二台柴油機，並送往北京環形鐵道進行試驗。
北京型6001號幹線貨運機車
北京型6001號機車牽引貨運列車運行在京原鐵路
當12V240ZJ型柴油機試製成功后，北京二七機車車輛工廠立即著手研製以該型柴油機裝車的大功率機車。由於二七工廠在大躍進期間曾經試製過建設型內燃機車，而且也是匈牙利進口ND1型內燃機車的指定大修工廠，工廠對於電力傳動內燃機車有較多的認識和經驗，因此開始設計時很自然就首先考慮採用電力傳動，當時曾經提出仿效法國國鐵CC 70000型柴油機車，研製採用雙柴油機組、雙轉子發電機、單電機轉向架、交—直流電傳動的6000馬力內燃機車。隨後，當二七工廠就機車設計方案諮詢大連熱力機車研究所的意見時，大連所認為鑒於中國缺乏銅資源的情況，而且液力傳動裝置的製造加工難度亦相對較小，有利於充分利用現有加工設備，因此推薦6000馬力液力傳動內燃機車的方案，並得到二七工廠的採納。實際上早在1966年8月，根據《鐵道部科技發展計劃》中提出“集中力量突破大功率高速、中速柴油機、1470千瓦等級液力傳動裝置等技術難關，為發展更大功率內燃機車鋪平道路”的要求，大連熱力機車研究所已經自行開展了5000馬力（3680千瓦）液力傳動內燃機車傳動裝置的研究和設計，同年10月決定將機車功率目標提高至6000馬力（4410千瓦），后因文化大革命的影響而被迫暫停研製。
北京型6001號機車與3001號機車重聯牽引貨運列車
1969年9月，北京二七機車車輛工廠邀請大連熱力機車研究所、鐵道部鐵道科學研究院、大同機車廠、戚墅堰機車車輛工藝研究所等單位的技術人員協助機車技術設計。同年10月14日，正式開始6000馬力液力傳動幹線貨運內燃機車的總體設計。同年11月，人大常委會委員長朱德第五次視察二七工廠並勉勵工人：“內燃機車，主席很關心，你們要搞好它”。1970年1月進入生產準備階段，同年7月開始組裝第一台液力傳動裝置。1970年9月10日，世界上單節功率最大的液力傳動內燃機車——北京型6001號機車（設計代號EQJ）在北京二七機車車輛工廠誕生。北京型6001號機車採用雙機組結構，裝用兩台12V240ZJ型柴油機和兩套EQ2030/Z510型液力傳動裝置，構造速度為100公里/小時。同年9月10日至16日，機車在北京環形鐵道進行單機組運行試驗和部分負荷牽引試驗。1970年9月17日，北京型6001號機車牽引1784噸貨物列車從丰台西開往保定，順利完成首次正線牽引運行試驗。機車出廠后交付北京鐵路局丰台機務段試用，曾在京廣鐵路丰台西至石家莊間進行牽引貨物列車的試驗，但由於當時柴油機的可靠性存在較多問題，累計走行18334公里后就暫停了牽引試驗。
北京型3001號幹線客運機車
1973年5月25日，北京型3002號機車在北京出廠
1970年10月，正當北京型6001號機車剛開始進行試驗之際，北京二七機車車輛工廠根據周恩來關於“進京旅客列車不冒煙”的指示，繼續與大連熱力機車研究所和交通部鐵道科學研究院合作，開始了3000馬力液力傳動幹線客運內燃機車的研製。1971年2月，完成了北京型客運機車的全部設計圖紙並開始進行試製。1971年8月26日，北京型3001號客運機車（設計代號EQJ）完成組裝，並於同年9月初在北京環形鐵道完成運行試驗。北京型3001號機車是採用單機組設計的液力傳動內燃機車，機車裝用一台12V240ZJ型柴油機和一套EQ2030型液力傳動裝置，柴油機裝車功率為2700馬力（1990千瓦），並採用單端司機室的車體，以及軸距為2850毫米的兩軸轉向架，構造速度為120公里/小時。北京型3001號機車經過一萬多公里的正線牽引試運行，發現行駛時振動大、軸重分配不均、機車調頭不便等缺點，完成試運行后便送返北京二七機車車輛工廠。
北京型3001號機車在北京二七機車廠，有時擔當調車機車
除了上述這些機車設計方面的缺點，當時的12V240ZJ型柴油機亦暴露出不少問題，燃燒性能方面的主要問題包括燃燒壓力高、排氣溫度高、排氣冒黑煙的“兩高一黑”，柴油機零部件結構方面亦經常發生氣缸套拉傷、連桿瓦和主軸瓦剝離燒損、氣缸蓋和活塞裂紋、氣閥下陷、機油稀釋等問題。1971年至1974年，北京二七機車車輛工廠與鐵科院機輛所、大連所、戚墅堰所、北京大學等單位合作，針對柴油機的各項問題進行了大量理論研究和改進試驗工作，特別是直接造成“兩高一黑”的燃料噴射系統、配氣系統和增壓系統。同時，亦對噴油泵、
噴油器、水泵、
機油泵、極限
調速器、氣缸蓋流道分別進行性能試驗。1972年元旦，周恩來聽取二七工廠黨委書記彙報柴油機試驗情況后，作出“燃燒狀況要好好試，要集中力量打殲滅戰，要搞好協作，爭取早日過關”的指示。1973年4月，交通部將瞿赳總工程師從大連所調往二七工廠，肩負柴油機設計改進工作的任務。瞿赳提出柴油機“一步走、兩步用”的設計思想，第一步以小時功率3300馬力為設計目標，並且按2700馬力裝車運用，經進一步強化后再按3000馬力裝車運用，在保證柴油機的運用可靠性的前提下，吸收國外同類產品的成熟經驗，做到大刀闊斧地修改設計。
配屬北京機務段的北京型3222號機車
1973年5月25日，針對3001號機車的缺點而重新設計的北京型3002號機車出廠，該機車改用便於雙向行駛的兩端司機室，轉向架固定軸距縮短為2000毫米。1973年9月，北京型3002號機車交付北京鐵路局北京內燃機務段試用，初期主要用來牽引北京至天津的85/86次旅客列車，同年10月29日起正式擔當
京山鐵路北京至山海關間的旅客列車交路。至1975年1月，機車累計運行逾84000公里之後，因車輪踏面擦傷而返廠檢修。北京型3002號機車在試運行過程中發現了70多項問題，為北京型機車的改良設計提供了大量數據和經驗。
北京型3105號機車
1974年4月至6月，經過改良的第九台12V240ZJ型柴油機完成試製，並順利通過了100小時連續運轉試驗和500小時耐久性試驗。試驗結果證明該柴油機的性能比前八台樣機有了長足的進步，已經基本消除了“兩高一黑”現象，使柴油機能夠在標定轉速每分鐘1100轉、持續功率2700馬力的情況下平穩運轉。1974年9月，交通部在二七工廠召開了12V240ZJ型柴油機技術鑒定會，與會代表一致認為柴油機技術參數的選擇、結構和總體布置是合理的，主要
經濟技術指標達到了
設計任務書的要求，其中燃油消耗等指標達到了國外同類機型的先進水平，同意柴油機定型並進行批量生產。在進行柴油機試驗的同時，二七廠和大連所還參考了NY6、
NY7型內燃機車所使用的福伊特L820rU型液力傳動裝置，對北京型機車的液力傳動裝置進行改進設計，設計了傳動效率更高的EQ2027型液力傳動箱，並且重量由原來的9噸減少至7.5噸。
1974年12月，根據3002號機車的缺點而作出大幅改良的北京型3003號機車（設計代號EQJ）完工出廠，機車除了裝用正式定型的12V240ZJ型柴油機和新的EQ2027型液力傳動箱之外，其他主要變化還有將轉向架固定軸距加大至2350毫米、延長車體長度並增大司機室空間、縮短冷卻室長度並調整冷卻系統布置、借鑒了ND4型內燃機車的冷卻風扇傳動結構、加裝預熱鍋爐和柴油機排氣消聲器等。1975年1月，交通部指示北京鐵路局和鐵科院，安排對北京型3003號機車進行牽引試驗，由於柴油機已於先前完成部級鑒定，因此將運用考核里程定為5萬公里（新型機車一般為10萬公里）。同年9月至10月，北京型3003號機車在京廣鐵路北京至石家莊、
京承鐵路北京至承德間進行了動力學性能試驗，最高速度達到130公里/小時。
配屬西安機務段的北京型內燃機車
1975年5月，二七工廠根據3003號機車的運用經驗，將機油熱交換器安裝方式由卧式改為立式，車體長度相應延長，試製了作為定型樣車的北京型3004號機車（設計代號EQJ），並按該圖紙開始批量生產北京型客運機車。1975年6月18日，北京二七機車車輛工廠舉行轉產慶祝大會，送走工廠最後修理的前進型1625號機車，同時將完成修復后的北京型3002號機車正式交付北京機務段使用，標誌著二七工廠停止修理蒸汽機車業務，轉為內燃機車專業製造廠。1975年11月，二七工廠接回已行駛將近10萬公里的北京型3002號機車，按北京型3004號機車的定型圖紙進行改造后交付
北京內燃機務段。1978年3月，在北京人民大會堂召開
全國科學大會上，北京型液力傳動內燃機車獲得優秀
科技成果獎。1991年，由於中國鐵路主要技術政策明確幹線內燃機車以電力傳動為發展方向，停止發展液力傳動幹線內燃機車，
北京二七機車廠停產北京型客運機車。北京型客運機車的早期塗裝為墨綠色車身配黃色帶，1980年代中期以後改為天藍色車身配白色帶的塗裝；而沿用北京型機車外觀的
東風7D型內燃機車亦有部分採用與北京型機車早期塗裝相似的綠黃塗裝。
北京型3020號機車牽引旅客列車運行在京原鐵路
1976年至1980年，為了摸清北京型客運機車的技術經濟性能，鐵道部組織了多次的機車牽引性能試驗。1976年4月，北京型客運機車完成了京廣鐵路長距離直達牽引運行試驗，北京型3002號機車牽引16輛編組客車及備用的北京型3004號機車（總重904噸）運行於北京至廣州間，往返運行共4728公里，連續運行102小時，並在單機牽引的情況下順利通過信陽至廣水間的長大坡道（上行線雞公山至李家寨，下行線武勝關至孝子店）。1979年3月，北京型客運機車又在京包鐵路北京至大同間進行牽引試驗，北京型3058號和3065號機車雙機重聯牽引12輛編組的試驗列車（總重600噸），往返運行共760公里，並以23公里/小時的速度通過最大坡度達到33‰、位於南口至康莊之間關溝段的居庸關坡道，並作了坡停起動試驗。兩次試驗證明北京型客運機車具有良好的牽引性能和動力學性能，機車運行可靠、燃油消耗率較低。
北京型機車牽引旅客列車從北京站發車
從1974年10月起，二七工廠開始對12V240ZJ型柴油機進行第二階段的改進試驗，目的是進一步提高柴油機強化係數和功率，最終達到小時功率3300馬力、持續功率3000馬力的設計目標。除了採用大連內燃機車研究所研製的高壓比1102型
增壓器，還對噴油裝置的參數作出調整以降低爆發壓力。1978年1月，北京型3036號機車的柴油機完成了持續功率3000馬力工況下的100小時連續運轉試驗，試驗結果顯示柴油機的技術經濟性能得到進一步提升。此後，雖然沒有提高北京型機車的柴油機裝車功率，但柴油機可靠性和機車功率儲備係數也相應提高。
1981年9月至1982年3月，鐵道部選定了北京鐵路局天津機務段的北京型3142號機車，在大連內燃機車研究所內的機車定置試驗台上對其進行全面的牽引熱工性能試驗，包括機車牽引性能、柴油機油耗、柴油機起動性能、傳動裝置換檔性能、模擬高原工況等試驗項目，試驗結果顯示機車各項性能均達到設計要求，機車最高輪周效率可達31.32%（司機控制器手柄15位，對應速度為104公里/小時），相應燃油消耗率為274.7克/公里小時。北京型機車的輪周效率在世界上已屬名列前茅，並已經超過了由
西德進口的NY6型機車（30.4%）。
北京型3035號機車牽引旅客列車在井店站
1977年底，隨著12V240ZJ型柴油機經過了較長時間的運用試驗，北京二七機車車輛工廠對北京型6001號貨運機車進行改造，除了液力傳動系統、車體和轉向架仍然保留原來的部件外，柴油機、冷卻裝置、制動系統、電氣系統等均改用與北京型客運機車相同的部件，並增設了輪緣潤滑裝置。1978年2月，鐵道部安排北京型6001號機車在北京鐵路局丰台機務段開始分階段進行10萬公里的運行考核，先後在京山鐵路丰台西至天津南倉、豐沙鐵路張家口南至丰台西、京原鐵路丰台西至靈丘之間擔當正常的貨物列車牽引交路，至1979年7月按現行牽引定數和列車運行圖的要求完成了10萬公里牽引試驗 , 累計走行里程達104935公里。
北京型3174號機車
為了進一步了解機車的牽引制動性能和潛力，北京型6001號機車在完成10萬公里考核后，於1979年7月先後完成了三次牽引性能試驗，包括在京包鐵路北京至康莊間進行的大坡度牽引制動試驗，在京山鐵路丰台西至南倉間進行的4000噸重載牽引試驗，以及在
豐沙鐵路丰台西至張家口南間進行困難區段運行試驗。試驗結果顯示，北京型6001號機車牽引能力較大，且尚有一定的功率儲備，能滿足在平原地區以80公里/小時速度牽引4000噸貨物列車的要求。在京包鐵路南口至青龍橋之間的長大坡道上，牽引721噸旅客列車時的坡頂速度達26公里/小時，在20‰下坡道上使用15檔液力制動，列車速度穩定在30公里/小時以下。而在較多小半徑曲線的豐沙鐵路和京原鐵路上，即使其採用固定軸距較大的四軸轉向架，輪緣磨耗量也與運行於相同區段的
ND4型內燃機車相若。
北京型6001號貨運機車在完成10萬公里考核和牽引性能試驗后，返回二七工廠更換成與北京型客運機車相同的液力傳動箱，隨後於1981年6月正式配屬石家莊機務段並投入石德鐵路運用。至此，北京型6001號機車的柴油機、傳動裝置、輔助系統、冷卻系統基本上均與客運型機車相同。由於當時貨物列車牽引定數較小，導致機車功率利用係數較低、相對燃油消耗率較高，未能充分發揮該型大功率機車的性能，而且四軸轉向架的檢修亦較為困難，因此石家莊機務段提出將其改造成客運機車的建議。1983年，北京型6001號機車被送返二七機車工廠，改造成北京型3211號及3212號客運機車，於1984年1月出廠並交付石家莊機務段。
NY6型0009號機車與北京型3258號機車在北京站
北京型客運機車從1975年下半年開始批量生產，並首先配屬北京鐵路局北京內燃機務段和
天津機務段投入運用，逐步替換原來的
人民型蒸汽機車。至1979年9月，北京機務段已配屬31台，天津機務段配屬59台，主要肩負京廣鐵路北京至安陽、
京滬鐵路北京至濟南、京山鐵路北京至山海關、
京包鐵路北京至大同、京原鐵路北京至靈丘等區段的旅客列車牽引任務。1980年代初，石家莊機務段開始配屬北京型客運機車，擔當京廣鐵路石家莊至北京、安陽、鄭州間的客運牽引。1986年，保定機務段從蒸汽機務段向內燃機務段過渡，並開始配屬北京型客運機車。1990年代初，隨著北京、天津、石家莊機務段增配東風4B型客運機車，部分調整出來的北京型客運機車陸續調往大同機務段、太原機務段、洞廟河機務段、滄州機務段、臨汾機務段等地，投入大秦鐵路、南同蒲鐵路、
錦承鐵路、
津浦鐵路、邯長鐵路運用。1995年，北京西機務段成立並配屬北京型客運機車，擔當北京西至聊城間的旅客列車牽引任務。1996年1月22日凌晨5時47分，北京型3240號機車牽引由北京西開往洛陽的231次列車，成為
北京西站開通運營后正式發出的首趟旅客列車。
北京型3266號機車牽引旅客列車運行在隴海鐵路
由於改革開放后鐵路客運量增長迅速，為了提高鐵路運輸能力、增加旅客列車編組輛數，鄭州鐵路局鄭州機務南段於1982年2月開始配屬北京型客運機車，逐步替換原來使用的
東風3型內燃機車，擔當京廣鐵路鄭州至信陽、安陽間的旅客列車牽引任務。1982年2月15日，鐵道部組織進行了47/48次特快列車（北京至廣州）擴大編組牽引運行試驗，並由北京型機車擔當北京至信陽間的牽引任務。同年底，47/48次特快列車擴編為17輛並納入正式運行圖。1984年3月29日，鐵道部在京廣鐵路北京至武昌間進行37/38次特快列車擴大編組至20輛的牽引試驗，試驗列車是在37/38次列車原16輛編組的基礎上，加掛三節軟卧車和一輛試驗車，包括機車在內列車全長506.5米，牽引重量為1066噸，由北京型客運機車單機牽引；試驗取得圓滿成功，列車在京武之間往返均能正點到達，列車通過雞公山坡道時坡頂速度達35公里/小時。1984年9月27日起，37/38次特快列車正式擴編為20輛。1985年4月1日起，北京至深圳的15/16次特快列車、北京至廣州的47/48次特快列車亦擴編至20輛。
北京型機車牽引旅客列車接近西安站
為了緩解機車運用緊張的局面，鄭州鐵路局於1984年開始在京廣鐵路和隴海鐵路實行長交路輪乘制。1984年4月1日起，拉通了信陽至安陽間的客運交路。1985年4月1日起，機車交路從信陽延長至武昌，全程由鄭州機務南段的北京型客運機車擔當，鄭州南、武昌南乘務員在
信陽站換乘，交路運行距離為721公里。1984年11月10日起，拉通了鄭州至西安間的客運交路。1985年10月1日起，機車交路從西安延長至寶雞，同樣由鄭州機務南段的北京型機車牽引，鄭州南、西安乘務員在
三門峽西站換乘。當時，鄭州機務南段的北京型機車以鄭州為中心，擔當北到安陽、南到武昌、西到寶雞、東到蚌埠的絕大多數客運列車牽引任務。1992年，鄭州鐵路局襄樊鐵路分局襄樊北機務段開始客運機車換型，原本使用的
東風型內燃機車被更換為北京型內燃機車，主要用於牽引
焦柳鐵路洛陽至襄樊間的旅客列車。
北京型3227號機車在北京南站
從1990年代中期開始，隨著京廣鐵路及隴海鐵路的電氣化改造，以及中國鐵路客運提速的開展，曾經雄踞京廣、隴海、京山、京滬等幹線的北京型機車逐步退居二線，其地位逐漸被功率更大、速度更高的東風4B型、東風4D型、東風11型、韶山8型客運機車所取代。而這些從幹線上替換下來的北京型機車，部分轉到
南同蒲鐵路、
邯長鐵路等次級幹線牽引旅客列車，也有部分轉到京承鐵路用於雙機牽引貨物列車，其餘大多調往唐山、
古冶、
豐潤、磁山、月山、侯馬北等機務段，擔當各地的調車作業和小運轉列車牽引任務。除此之外，一些地方鐵路和工礦企業也從北京鐵路局和鄭州鐵路局購置了二手的北京型機車，例如周口漯阜鐵路、
濮陽地方鐵路、南票煤業集團、中國中鐵屬下工程局等，直到2000年代以後才被逐步淘汰。
北京型3153號機車
北京型客運機車是中國國產液力傳動內燃機車的代表作，雖然早期生產的北京型機車曾經存在較多質量問題，但隨著工廠設備條件和工藝水平的提高，北京型機車歷年的機破及臨修件數逐年下降，可靠性更是遠高於當時使用的東風型、東風4型、ND2型、ND4型等電力傳動內燃機車。北京型機車的液力傳動裝置一般極少發生故障，到了1980年後期基本上已達到了一個廠修期不開箱檢修（72萬公里）的目標，大修期平均走行里程高達87萬公里，接近德國同類液力傳動裝置的水平。由於北京型客運機車為單機組機車，加上自重較輕、運行阻力較小，機車燃油消耗指標一直優於當時中國國內其他所有幹線客運內燃機車。除此之外，北京型客運機車還以結構簡單、布置緊湊、易於操縱、保養方便的優點而贏得了機務部門的讚譽，司機甚至傳誦“拔油尺、看油位、轉一周、回家睡”順口溜來形容該型機車。
朝鮮鐵路的北京型內燃機車牽引旅客列車在江原線元山站，編號310
2000年代初，中華人民共和國鐵道部曾經將部分已被淘汰的北京型客運機車無償援助朝鮮民主主義人民共和國。在朝鮮鐵路系統中，北京型機車被定型為朝鮮鐵道300型柴油機車，機車編號為내연3XX（“내연”意為“內燃”）。根據非正式統計，朝鮮鐵路從中國接收了至少33台北京型內燃機車，主要用於平壤周邊的調車作業和貨物列車牽引任務。
北京型3148號機車牽引貨運列車在天津北站
1980年代初，中國實行改革開放后，鐵路貨運量不斷增長，鑒於北京型客運機車在製造和運用上已經積累了很多經驗，北京二七機車工廠提出在北京型客運機車的基礎上，通過適當改造使其可以雙機重聯用於貨運，滿足貨物列車重量和速度提高之後的牽引需要。1980年，北京二七機車工廠開始設計北京型重聯貨運機車，至1981年12月完成試製兩組（四台）重聯貨運機車，機車編號按北京型客運機車順延（3147～3150）。該型機車除了改變車軸齒輪箱中的一對圓柱齒輪傳動比、增加總風管及電氣線路重聯裝置、增加一台
空氣壓縮機和取消預熱鍋爐外，機車其他部分均與客運型機車完全相同。重聯貨運型機車仍裝用12V240ZJ型柴油機，但裝車功率及相應的控制系統按2500馬力調整，機車最高運行速度降為90公里/小時，雙機重聯時起動牽引力達到595千牛，持續牽引力達到429.5千牛。根據牽引計算，當牽引4000噸時在平直道上的最高平衡速度可達81公里/小時，並且能在8‰坡道上起動列車。
1982年11月2日至7日，根據鐵道部《關於布置北京型3147號～3150號機車牽引性能試驗的通知》，北京二七機車工廠聯同北京鐵路局對北京型重聯貨運機車進行了雙機牽引試驗，試驗機車採用北京型3147號及3150號機車，在通坨鐵路丰台西至秦皇島之間牽引煤炭列車往返。試驗結果顯示，機車牽引性能良好，雙機牽引3900噸時最大平衡速度可達78公里/小時。四台北京型重聯貨運機車后配屬天津機務段使用，代替
建設型蒸汽機車擔當小運轉任務。
北京型1002號准軌口岸機車在滿洲里站
1980年代以前，在中國與蘇聯接壤邊境的鐵路口岸，中國一直使用蒸汽機車承擔過境列車的牽引任務，而蘇聯則早已使用M62型柴油機車牽引列車入境中國，並多次就蒸汽機車牽引問題向中方提出異議。因此，中華人民共和國鐵道部將實現口岸機車內燃化列入第七個五年計劃期間的其中一個重點項目。1983年12月，北京二七機車工廠接到鐵道部關於
滿洲里站擬定採用北京型機車的通知，據此工廠提出以北京型重聯貨運機車為基礎及設計新一代口岸用內燃機車的建議。1986年2月，鐵道部機車車輛工業總公司向北京二七機車工廠下達了北京型口岸內燃機車的設計任務書，要求在1986年11月底前試製出兩台准軌口岸機車，1987年上半年試製出兩台寬軌口岸機車。
北京型口岸機車與北京型重聯貨運機車大致相同，柴油機裝車功率降為2500馬力（1840千瓦），最高運行速度為90公里/小時，起動牽引力提高到280千牛。口岸機車特別具有加強防寒型車體及防寒保溫裝置，適合在中國北方冬季嚴寒地區使用，能夠在零下47°C的環境正常運轉。為了滿足中蘇邊境口岸的過境鐵路運輸需要，口岸型機車有準軌（1435毫米）和寬軌（1520毫米）兩種車型，其中准軌機車用於口岸鐵路車站或幹線小運轉作業，並設有空氣管路及電氣線路重聯裝置，兩台機車可重聯運行；而寬軌機車則用於國內寬軌調車站場作業，不設重聯裝置，但能夠按需要換裝准軌轉向架以及蘇式SA-3車鉤。
1986年10月25日，首兩台北京型准軌口岸機車（1001～1002號）於北京二七機車廠完成試製，同年底交付哈爾濱鐵路局滿洲里機務段進行防寒運用考核。1987年4月，鐵道部機車車輛工業總公司與鐵道部機務局召開北京型口岸機車運用考核座談會，滿洲里機務段代表認為北京型口岸機車經過一個冬天的運用，證明機車各項性能均達到了預期要求，並對正在試製的寬軌口岸機車提供了一些意見。1987年6月1日起，北京型准軌口岸機車正式承擔中蘇邊境准軌線路過境客貨列車的牽引任務。1987年7月，首台北京型寬軌口岸機車（1101號）出廠，同樣配屬哈爾濱鐵路局滿洲里機務段。1986年至1991年間，北京二七機車廠共生產了16台北京型口岸機車，其中准軌型12台（1001～1012）、寬軌型4台（1101～1104），全部均配屬滿洲里機務段。
北京型口岸機車在滿洲里投入運用后，替代了原來的
解放型蒸汽機車，使牽引噸位由1700噸提高到3500噸，提高了口岸車站的運輸能力和作業效率。1988年9月，從巴黎里昂車站出發的“東方快車'88”特別列車到達西伯利亞鐵路后貝加爾斯克站之後，便是由北京型1003號機車從
后貝加爾斯克牽引至滿洲里進入中國。1989年10月，北京型口岸機車通過鐵道部主持的技術鑒定，同年獲鐵道部科技進步二等獎和北京市技術開發優秀項目二等獎。2000年起，因應
滿洲里口岸進出口貨物運輸量的增長，滿洲里機務段開始配屬新造的
東風7C型內燃機車，北京型口岸機車亦隨之退居二線並逐漸淘汰。
北京型2003+2004號機車在北京站牽引13次列車
從1970年代起，中國國家領導人和國外貴賓的專列牽引任務，一直主要是由西德進口的
NY6型內燃機車執行。到了1980年代，NY6型機車已經將近十年未曾進行過廠修，而且配件供應也越來越困難。1984年初，北京鐵路局向鐵道部提交《關於北京型內燃機車擔當專運任務、改造建議的報告》，提出使用北京型機車牽引專運列車以補充專運車隊。1985年6月，鐵道部機務局和工業總局在北京二七機車廠進行專運機車設計方案審查，設計任務書確定了專運機車以北京型客運機車為基礎，改成由兩節單司機室機車重聯連掛的八軸機車，司機能夠在任何一個司機室內操縱兩節機車，必要時也能夠以單節機車獨立運行；每節機車裝用一台12V240ZJ-2型柴油機和EQ2027A型液力傳動裝置，同時增加輔助柴油發電機組和液力制動裝置，並加強防寒措施使其適應各種使用環境，最高運行速度120公里/小時，起動牽引力達到490千牛。1986年3月，北京二七機車廠正式開始試製北京型專運機車，第一組機車（2001+2002）於1986年6月出廠，第二組機車（2003+2004）於1986年9月出廠。
北京型2009+2010號機車牽引旅客列車運行在京原鐵路
1986年12月至1987年1月，第二組北京型專運機車於黑龍江省大興安嶺地區進行冬季防寒性能試驗，並在哈爾濱鐵路局管內的富西鐵路塔河至盤古之間完成了牽引試驗。1987年6月11日至14日，北京型專運機車首次牽引北京至上海的21/22次直達特快旅客列車，順利完成了中途不換機車不加油的直達牽引試驗（中途僅按正常時刻表在濟南和蚌埠技術停車）。1987年6月16日，北京型專運機車開始進行特種列車長距離牽引試驗，試驗列車從北京出發，經由京廣、湘桂、黔桂、
川黔、成渝、
寶成、隴海鐵路運行，至6月26日返回北京，全程運行近6000公里。1987年9月，鐵道部鐵道科學研究院選用北京型2001號專運機車，在京承鐵路洞廟河至密雲、津浦鐵路滄州至德州間進行了動力學性能試驗。由於試驗期間的機車性能表現令人滿意，鐵道部又於1987年和1989年分別訂購了共4組專運機車（2005+2006、2007+2008、2009+2010、2011+2012）。
配屬北京機務段的北京型專運機車
1986年至1989年間，北京二七機車廠共生產了6組12節北京型專運機車，全部均配屬北京鐵路局北京內燃機務段。1988年1月起，北京機務段開始使用北京型專運機車擔當13/14次、21/22次兩對京滬直達特快列車在北京至濟南區段的牽引任務，要求列車在5小時15分內不停站運行495公里，平均速度達到94公里/小時。但不到四個月後，兩組機車的八台渦輪增壓器全部發生故障，主要是渦輪葉片和噴嘴環葉片損壞和磨損。由於北京型專運機車在設計時略為超重，因此採用了同類產品中體積小、重量輕的無錫動力機廠261P-13A型增壓器，但其組裝式噴嘴環葉片的設計存在不足之處，導致增壓器在長期高負荷工作情況下使用壽命大幅縮短，噴嘴環結構經改進后問題獲得解決。
北京型2007+2008號機車牽引K602次列車
1992年8月至9月，為了提高京廣、京滬、京哈三大幹線的貨物列車牽引定數，鐵道部在京廣鐵路進行了三次5000噸級重載列車牽引試驗。1992年8月12日進行第一次牽引試驗，使用一組北京型專運機車（2003+2004）牽引5120噸貨物列車，在石家莊至鄭州北之間往返運行。隨後，又分別使用東風4型和東風7B型內燃機車進行了兩次雙機牽引試驗。試驗結果證明，雖然北京型專運機車能在4‰坡道上起動5000噸級列車，但列車加速能力和機車功率儲備較小，不宜作為重載貨物列車的牽引機車。最終，鐵道部決定選用經過局部改進設計的東風7B型機車，並於1993年初配屬邯鄲機務段投入運用，作為京廣鐵路石鄭區段完成電氣化改造前的過渡車型。
1990年代初，北京型專運機車主要用於牽引京滬鐵路北京至濟南、京廣鐵路北京至安陽間的特快旅客列車。到了1990年代後期開始中國鐵路大提速之後，北京型專運機車改為投入京原鐵路運用，擔當北京（北京西）至太原之間的客運列車牽引任務，例如北京至太原的K601/602次、北京西至運城的K603/604次、北京西至淶源的6437/6438次、北京西至燕山的6457/6458次列車等。2006年底，北京機務段北京西運用車間向北京運用車間調出
東風10F型內燃機車，自此北京型專運機車便與東風10F型機車共同活躍於京原線的客運機車交路。2010年3月至4月期間，6組北京型專運機車陸續被報廢拆解。
總體布置
北京型6001號機車牽引貨運列車
北京型6001號機車是6000馬力的幹線貨運用液力傳動內燃機車。機車採用全鋼焊接的框架式側壁承載車體，主車架採用由牽引梁、邊梁、橫樑等部分焊接而成的無中梁結構，車架兩端設有裝有排障器、自動車鉤和車鉤緩衝器；轉向架迴轉中心間距為14927毫米，
車鉤中心線間距為24500毫米。機車採用雙端司機室、雙側對稱結構的布置，可根據行車方向由機車任一端司機室操縱機車。為了便於機車運行過程中司機對動力室的巡檢，兩端司機室通過雙側內走廊通道相連。車內裝有兩套相同而又獨立的動力傳動機組，每套機組包括一台柴油機及傳動裝置，可以根據需要使用其中任何一套或兩套同時工作。機車軸式D-D，最高運行速度為100公里/小時，軸重23噸，機車整備重量為183.5噸。
車體內部從前端至後端分為第一司機室、第一傳動冷卻室、動力室、第二傳動冷卻室、第二司機室等五個部分。司機室內設有正副司機操縱台、電氣控制櫃、採暖通風等設備。動力室內裝有兩台柴油機及其配套設備，並設有液力傳動油熱交換器、膨脹水箱及
空氣濾清器。兩個傳動冷卻室內下部裝有兩組液力傳動裝置，上部裝有V型結構的銅質管片式散熱器，冷卻空氣從車體側牆上的通風百葉窗口吸入，流經散熱器和吸收熱量之後從車頂排出；機車設有兩套彼此獨立的冷卻水系統，每套系統又分為柴油機主循環系統（47個冷卻單節）和中冷器次循環系統冷卻（15個冷卻單節），每個傳動冷卻室頂部均設有三台軸流式冷卻風扇，每颱風扇均由
液力耦合器單獨驅動，可據循環水溫的高低來自動調節轉速。此外，傳動冷卻室還設有電動空氣壓縮機和直流起動發電機。車體下方兩台轉向架之間的空間，弔掛著一個可載10噸柴油的燃油箱、兩個總風缸和蓄電池組。
柴油機
北京型6001號機車
北京型6001號機車裝用兩台12V240ZJ型柴油機，為12氣缸、四衝程、水冷式、直接噴射、開式燃燒室、
廢氣渦輪增壓的大功率中速柴油機。該型柴油機採用焊接結構機體、主副結構連桿、合金鋼整體鍛造麯軸、合金鑄鐵氣缸蓋、鋼頂鋁裙組合式活塞（起初曾採用鐵頂鋁裙活塞）、單體式噴油泵。柴油機增壓系統最初使用單台TZ330型增壓器（定壓增壓），後來改為在氣缸夾角上面布置著兩台45GP805型增壓器（脈衝增壓），兩端各設一個用於冷卻增壓空氣的中冷器。氣缸直徑為240毫米，活塞行程為260毫米（主缸）、273.51毫米（副缸），氣缸夾角為45°，小時功率為3000馬力，裝車功率為2700馬力，標定轉速為每分鐘1100轉。
傳動系統
北京型6001號機車在二七機車廠進行組裝
北京型6001號機車是採用雙機組設計的液力傳動內燃機車，車上裝有兩套相同而又互相獨立的動力傳動機組，分別驅動兩個四軸轉向架。液力傳動系統包括液力傳動箱、中間齒輪箱、車軸齒輪箱、萬向軸等部分組成。主傳動路線設計與德國聯邦鐵路V320型柴油機車較為相似，柴油機安裝於車體中部，液力傳動箱安裝在主車架上、位於轉向架迴轉中心的內側，而中間齒輪箱安裝在轉向架構架上、位於轉向架第一及第二軸之間。柴油機輸出的功率經彈性聯軸節及萬向軸傳給液力傳動箱，然後從液力變速箱輸出的扭矩經萬向軸傳入中間齒輪箱，最後從中間齒輪箱經過萬向軸分別傳給前後四個車軸齒輪箱。
北京型6001號機車早期採用EQ2030/Z510型液力傳動裝置，這是當時世界上單元功率最大的內燃機車液力傳動裝置。傳動箱內裝有兩個結構性能不同的
液力變扭器，包括一個EQ40A型起動變扭器及一個EQ74V型運轉變扭器。液力傳動裝置根據機車速度和柴油機功率的變化，利用充排油使變扭器自動接入或退出工作來實現自動換擋，換檔時牽引力無級變化。傳動裝置在額定輸入轉速每分鐘1100轉時，設計最大輸入功率為2700馬力，裝車功率為2450馬力。傳動裝置並設有EQ512型液力制動器，機車運行於長大下坡道或減速時，使用液力制動可減少
閘瓦磨耗，最大制動功率為2×2100馬力。北京型6001號貨運機車在完成10萬公里考核和牽引性能試驗后，換裝與北京型客運機車相同的EQ2027型液力傳動箱。
轉向架
前進牌香煙上的北京型6001號貨運機車
機車走行部為兩台四軸轉向架，固定軸距為4460毫米（1560毫米+1560毫米+1340毫米），採用焊鑄結合結構構架、單側拉杆式軸箱定位裝置，相鄰輪對軸箱之間設有均衡梁聯接。每台轉向架側樑上設有兩個滾動式旁承裝置，車體重量便通過四點旁承支承在轉向架上，轉向架相對於車體的最大橫向彈性位移以橡膠側承加以限制。轉向架設有二系懸掛裝置，一系懸掛為軸箱兩側螺旋彈簧，並裝有並聯的垂向油壓減震器；二系懸掛為車體和轉向架之間的四組旁承橡膠彈簧（橡膠彈簧與韶山1型電力機車通用）。牽引力和制動力通過平行牽引拉杆機構傳遞。機車採用EL14型
空氣制動機，每台轉向架設有四個制動缸，由於結構限制而採用單側閘瓦制動。1977年底完成整修改造后加裝了輪緣潤滑裝置。
總體布置
北京型3129號機車
北京型客運機車是3000馬力的幹線客運用液力傳動內燃機車，採用全鋼焊接結構的框架式側壁承載車體，主車架採用由牽引梁、邊梁、橫樑等部分焊接而成的無中梁結構，車架兩端設有裝有排障器、自動車鉤和車鉤緩衝器；北京型3004～3074號機車的車鉤中心線間距為16325毫米，從1974年生產的3074號機車開始改為16505毫米。機車採用雙端司機室、雙側內走廊布置的布置，可根據行車方向由機車任一端司機室操縱機車，兩端司機室通過雙側內走廊通道相連。機車軸式B-B，最高運行速度為120公里/小時，軸重23噸，機車整備重量為92噸。
北京型3289號機車
車體內部從前端至後端分為第一司機室、冷卻室、動力室、第二司機室等四個部分。司機室內設有正副司機操縱台、電氣控制櫃、採暖通風等設備。動力室內裝有一台柴油機，以及機油熱交換器、機油濾清器、
燃油濾清器、燃油預熱器、空氣濾清器等配套設備。冷卻室內下部裝有一組液力傳動裝置，上部裝有V型結構的銅質管片式散熱器，冷卻空氣從車體側牆上的通風百葉窗口吸入，流經散熱器和吸收熱量之後從車頂排出。
冷卻水系統分為柴油機主循環系統（24個冷卻單節）和中冷器次循環系統冷卻（26個冷卻單節），冷卻室頂部設有兩台軸流式冷卻風扇，每颱風扇均由液力耦合器單獨驅動，可據循環水溫的高低來自動調節轉速。此外，冷卻室還設有空氣壓縮機、起動發電機、預熱鍋爐、液力傳動油熱交換器、總風缸等輔助設備。車體下方兩台轉向架之間的空間，弔掛著一個可載5500升柴油的燃油箱和蓄電池組。
柴油機
北京型3223號機車
北京型客運機車裝用一台12V240ZJ型柴油機，為12氣缸、四衝程、水冷式、直接噴射、開式燃燒室、廢氣渦輪增壓的大功率中速柴油機。該型柴油機採用焊接結構機體、主副結構連桿、合金鋼整體鍛造麯軸、合金鑄鐵氣缸蓋、鋼頂鋁裙組合式活塞（起初曾採用鐵頂鋁裙活塞）、單體式噴油泵。柴油機增壓系統最初使用單台TZ330型增壓器（定壓增壓），後來改為在氣缸夾角上面布置著兩台45GP805型增壓器（脈衝增壓），兩端各設一個用於冷卻增壓空氣的中冷器。氣缸直徑為240毫米，活塞行程為260毫米（主缸）、273.51毫米（副缸），氣缸夾角為45°，小時功率為3000馬力，裝車功率為2700馬力，標定轉速為每分鐘1100轉。
為了進一步提高柴油機強化係數和功率，達到小時功率3300馬力、持續功率3000馬力的設計目標，二七工廠於1974年10月開始對12V240ZJ型柴油機進行第二階段的改進試驗。除了採用大連內燃機車研究所研製的高壓比1102型增壓器，還對噴油裝置的參數作出調整以降低爆發壓力。1978年1月，12V240ZJ型柴油機完成了持續功率3000馬力工況下的100小時連續運轉試驗。此後，北京型客運機車的裝車功率仍維持2700馬力，但柴油機強化后使其增加了一定的功率儲備，提高了柴油機的可靠性和耐久性。
傳動系統
朝鮮鐵路的北京型內燃機車與紅旗型電力機車重聯牽引貨運列車
北京型客運機車是採用單機組設計的液力傳動內燃機車，車上只裝有一套動力傳動機組，同時驅動兩個
二軸轉向架。液力傳動系統主要包括液力傳動箱、車軸齒輪箱、輔助傳動裝置、萬向軸及彈性聯軸節等。液力傳動箱位於車體中部冷卻室下方，並通過四個彈性
支座固定在機車車架上。柴油機通過彈性聯軸節及萬向軸將功率傳遞到液力傳動箱，再從液力變速箱的兩端輸出法蘭，以萬向軸傳給前後轉向架上的車軸齒輪箱，從而驅動輪對。車軸齒輪箱採用圓柱—圓錐雙級減速齒輪。除此之外，液力傳動箱還同時驅動冷卻風扇液力
偶合器和起動發電機。
北京型3001號和3002號機車裝用EQ2030/Z510型液力傳動箱，與北京型6001號貨運機車相同，採用EQ40A型起動變扭器及EQ74V型運轉變扭器。從1974年製造的北京型3003號機車開始，改為裝用經重新設計的EQ2027/Z510型液力傳動箱，該型液力傳動裝置是由大連所與二七廠合作設計，借鑒了NY5型內燃機車所使用的福伊特L830rU型液力傳動裝置的變扭器設計。傳動裝置在額定輸入轉速每分鐘1100轉時，設計最大輸入功率為2700馬力，裝車功率為2450馬力。傳動箱內裝有兩個結構性能不同的液力變扭器，包括一個EQQ3（QB3）型起動變扭器和EQI3（YB3）型運轉變扭器，最高效率分別達到86.6%和87.3%，其中起動變扭器（又稱1檔）適用於機車起動和低速工況，而運轉變扭器（又稱2檔）適用於機車中高速工況；機車運行過程中根據負荷情況，通過機械換檔裝置控制充排油進行自動換檔，保證變扭器始終在高效區域工作。傳動裝置設有Z510型液力制動器，額定製動功率為1840馬力，最大制動功率為2725馬力。
北京型3003號機車的銘牌與配屬
北京型客運機車自1975年正式投入運用后，北京鐵路局反映牽引列車起動時加速較慢。為了改善北京型機車在低速範圍的牽引性能，二七工廠於1980年試製了經過改良的EQ2027A型液力傳動箱，首先裝用於北京型3126～3129號機車，使其起動牽引力提高21%、持續牽引力提高11.7%，最高速度降至110公里/小時。但由於其速度等級與其他同型機車不同，機務段認為此不利於機車運用管理，要求將最高速度恢復為120公里/小時。EQ2027A型液力傳動箱經過進一步改進后，從1981年起生產的北京型3140號機車開始使用，起動牽引力比使用EQ2027型液力傳動箱的機車提高了8.4%，最高速度則仍然保持120公里/小時。1982年，二七工廠設定了一個廠修期不開箱檢修的目標，對液力傳動箱進行了多項重大改進，例如改進了液力傳動裝置的易損零件，更換能承受較大振動衝擊的高強度軸承，把機械換檔裝置改為電子換檔裝置等，並從1982年9月出廠的北京型3164號機車開始實施。
轉向架
北京型3003號機車的轉向架
機車走行部為兩台兩軸轉向架，採用鋼板焊接箱型結構構架、帶有軸端橡膠緩衝裝置的滾柱軸承軸箱、具有金屬橡膠關節的雙拉杆式軸箱定位裝置。每台轉向架設有兩個油浴式滑動摩擦旁承裝置，車體重量便通過四點旁承支承在轉向架上，並利用旁承裝置上下滑板的迴轉運動所產生的摩擦力矩來抑制轉向架的蛇行運動。為了提高客運機車的動力學性能和垂向振動性能，轉向架設有大靜撓度二系彈簧懸掛裝置；一系懸掛為構架與軸箱之間的螺旋彈簧，彈簧下面裝有橡膠墊以吸收高頻振動，並裝有並聯的垂向油壓減震器；二系懸掛為車體和轉向架之間的旁承彈簧，每組旁承彈簧由三個並列的螺旋彈簧組成，並配有兩個並聯的垂向油壓減震器，另外車體和轉向架之間還設有橫向油壓減震器。牽引力和制動力通過低位平行牽引拉杆機構傳遞，牽引點距軌面高度為490毫米。基礎制動裝置採用獨立式雙側鑄鐵閘瓦制動，每個車輪均有單獨一套制動缸及傳動桿系統。早期的北京型客運機車採用EL14型空氣制動機，從北京型3112號機車開始改用JZ-7型空氣制動機。
和液力傳動裝置一樣，北京型客運機車的轉向架也經歷了多次演變。為了提高客運機車高速運行時的穩定性，最初的北京型3001號機車採用了軸距為2850毫米的轉向架，但經過試運行後為了改善機車的曲線通過性能，北京型3002號機車將轉向架軸距大幅縮短為2000毫米。後來，考慮到增大軸距有利於提升轉向架蛇行穩定性，北京型3003號機車又將轉向架軸距延長至2350毫米，並將二系懸掛的每側兩個螺旋彈簧增加至三個。北京型客運機車投入使用一段時間以後，司機普遍反映高速行駛時機車搖晃較大，因此從1979年製造的北京型3075號機車開始，改為使用軸距為2500毫米的新轉向架，制動缸從構架側梁內側移至外側，改良轉向架構架橫樑和側梁設計，改善了機車運行品質並且更方便維護檢修。
| 車型 | 幹線貨運型 | 幹線客運型 | 重聯貨運型 | 口岸型 | 專運型 |
| 數量（台） | 1 | 341 | 4 | 12（准軌型） 4 （寬軌型） | 12（6組） |
| 車號 | 6001 | 3001～3146 3151～3346 | 3147～3150 | 1001～1012 1101～1104 | 2001～2012 |
| 生產年份 | 1969年 | 1970年—1991年 | 1982年 | 1986年—1991年 | 1986年—1990年 |
| 華氏輪式 | 0-8-8-0 | 0-4-4-0 | 0-4-4-0 | 0-4-4-0 | 0-4-4-0+0-4-4-0 |
| UIC軸式 | D-D | B-B | B-B | B-B | 2 × B-B |
| 軌距（毫米） | 1,435 | 1,435 | 1,435 | 1,435（准軌型） 1,520（寬軌型） | 1,435 |
| 輪徑（毫米） | 1,050 |
| 整備重量（噸） | 183.5 | 92 | 92 | 92 | 2 × 92 |
| 軸重（噸） | 23 |
| 通過最小曲線半徑（米） | 145 | 125 |
機車全軸距 （毫米） | 18,400 | 11,255 | 11,255 | 11,255 | 11,255 |
車鉤中心線間距 （毫米） | 24,500 | 16,505 | 16,505 | 16,505 | 2 × 16,505 |
| 車體長度（毫米） | ？ | 15,045 | 15,045 | 15,045 | 2 × 15,135 |
| 車體寬度（毫米） | 3,300 | 3,285 | 3,285 | 3,285 | 3,285 |
| 車體高度（毫米） | 4,650 | 4,512 | 4,512 | 4,512 | 4,512 |
| 柴油機 | 2 × 12V240ZJ | 12V240ZJ | 2 × 12V240ZJ-2 |
| 標定功率（馬力） | 6,000 | 2,700 | 2,700 | 2,700 | 2 × 2,700 |
| 標定功率（千瓦） | 4,410 | 1,990 | 1,990 | 1,990 | 2 × 1,990 |
| 裝車功率（馬力） | 5,400 | 2,700 | 2,500 | 2,500 | 2 × 2,700 |
| 裝車功率（千瓦） | 4,020 | 1,990 | 1,840 | 1,840 | 2 × 1,990 |
| 標稱功率（千瓦） | ？ | 1,500 | 1,350 | 1,350 | 2 × 1,500 |
| 燃油儲備量（升） | 11,900 | 5,500 | 5,000 | 5,000 | 2 × 5,000 |
機油儲備量 （公斤） | 2,500 | 720 | 720 | 720 | 2 × 720 |
| 水儲備量（公斤） | 2,500 | 1,200 | 1,100 | 1,100 | 2 × 1,100 |
| 傳動方式 | 液力傳動 |
| 液力傳動箱 | EQ230/Z510 | EQ2027A | EQ2027 | EQ2027 | EQ2027A |
（公斤） | 2,000 | 760 | 760 | 760 | 2 × 760 |
構造速度 （公里/小時） | 100 | 120 | 90 | 90 | 120 |
持續速度 （公里/小時） | 21 | 22.4 | 16.8 | 16.8 | 22.4 |
起動牽引力 （千牛） | 595 | 245 | 284 | 284 | 2 × 245 |
持續牽引力 （千牛） | 418 | 177 | 215 | 215 | 2 × 177 |
| 重聯裝置 | 無 | 無 | 有 | 有（准軌型） | 有 |
1980年8月1日下午6時50分，北京鐵路局石家莊機務段的北京型3101號機車，由北京機務段出庫準備牽引由北京開往西安的179次直快旅客列車（今T41/42次列車）。當機車出庫後進行換向並前往車輛停留線5道掛車，由第一端司機室改為第二端司機室操縱，司機將
制動閥手柄由一端換到二端時，沒有發覺未將機車制動閥手柄（小閘）完全裝入槽內，司機亦未按規定進行試閘便起動機車前進。機車接近列車時準備停車檢查車鉤，司機發現無法扳動制動閥手柄，卻沒有及時使用自動制動閥，反而將換向手柄從前進位轉到後退位，並將司機控制器手柄猛提至9位，試圖施加反向負荷迫停機車，導致機車突然向前加速，與準備連掛的179次列車發生正面相撞。事故造成客車中破一輛，179次列車始發晚點3小時16分鐘。
1980年10月14日下午4時30分，北京鐵路局天津機務段的北京型3037號機車，牽引由福州開往北京的46次旅客列車（今K45/46次列車）經由津浦鐵路運行。由於馬廠站因進路連鎖系統發生故障，因此採取手搖道岔及手信號的辦法引導列車進站。但車站準備辦理46次列車通過2道通過進路時，
扳道員未按規定對8號道岔加鎖就去引導46次列車，同時電務工區工人進行進路解鎖試驗后誤將8號道岔扳向反位，導致46次列車錯誤進入正在停靠著2298次貨物列車的4道，所幸機車乘務員及時發現進路異常並施行緊急制動，使46次列車在距離2298次列車約30米的地方停車，阻止了一次列車相撞事故的發生。
1984年9月16日清晨，鄭州鐵路局鄭州機務南段的北京型3188號機車，牽引天津至武昌的133次旅客快車（今
T253/254次列車）經由京廣鐵路運行。清晨5時許，當列車接近
明港站時，司機漏看車站第一接近通過信號機顯示的黃色燈光，當確認第二接近通過信號機顯示紅燈后，他們又發現該站下行
進站信號機顯示黃燈（實際是給其前方的403次旅客列車開放的信號），便臆測是給他們顯示的信號，錯誤認為之前第二接近顯示的紅燈是信號故障，遂越過了紅燈。當司機發現前方正慢行準備進站的403次旅客列車時才施行緊急制動，但停車不及以50公里/小時的速度與403次旅客列車追尾相撞。事故造成37人受傷，機車小破1台，客車報廢2輛，大破1輛，中斷京廣鐵路下行線行車4小時30分鐘。
1988年12月24日，原北京鐵路局北京內燃段第五機車隊北京型3129號機車擔當北京至長沙的1/2次特快旅客列車牽引任務。在行至黃粱夢至邯鄲間一個無人看守道口時，與上行1544次貨物列車交匯，貨物列車尾部剛離開道口，一輛裝載罐裝高濃度
苛性鹼（
氫氧化鈉）液體的卡車已搶上道口，穿越下行線路，與正常行駛的列車相撞。卡車罐體破損后，大量
鹼水從被震碎的車窗湧入司機室，造成司機及隨車學員一度燒傷、副司機輕傷、機車設備受損，構成重大路外事故。
1993年5月1日凌晨0時45分，鄭州鐵路局鄭州機務南段的北京型3234號機車，牽引由徐州開往武昌的217次直快旅客列車經由京廣鐵路運行。當列車運行至京廣鐵路長葛站至蘇橋站間K749+380M處的無人看守平交道口時，與一輛搶道的拖拉機相撞，造成機車和機后第一及第二位硬卧車脫軌，中斷京廣鐵路下行線行車5小時57分鐘。
1993年7月10日凌晨，北京鐵路局石家莊機務段的北京型3168號機車，牽引北京至成都的163次旅客列車（今K1363/1364次列車）經由京廣鐵路運行。由於前一天下午京廣線
安陽站至廣武站間受暴風雨倒樹的影響，導致鐵路自動閉塞供電設備停電，
七里營站至老田庵站各站間停止基本閉塞法，改用特定閉塞法。凌晨2點40分，163次列車從新鄉南場開出，司機和副司機兩人錯誤理解調度命令內容，將新鄉南場至七里營啟動自動閉塞區間誤認為是特定閉塞區間，並擅自關閉了機車信號和自動停車裝置盲目開車。凌晨2時55分，當司機發現前方緩行的2011次貨物列車距離僅百米時才施行緊急制動，但停車不及以80公里/小時的速度與前方的2011次貨物列車發生追尾相撞。事故造成40人死亡、48人受傷，機車中破1台，車輛報廢4輛、大破2輛、小破15輛，中斷京廣鐵路下行線行車11小時15分，構成旅客列車衝突重大事故。
1994年1月15日凌晨，鄭州鐵路局寶豐機務段的北京型機車，牽引襄樊開往北京的250次旅客列車（今T49/50次列車）經由漯寶鐵路運行。列車原定按計劃通過余官營站，但由於車站值班員和助理值班員相互爭執，造成未及時聯繫、沒有確認接車線、錯誤開放信號等一系列的違章作業，導致250次列車進站時與在站內停留的3173次貨車發生正面相撞。事故造成7人死亡、12人受傷，中斷正線行車3小時9分鐘，北京型內燃機車報廢一台，
前進型蒸汽機車大破一台。
保存在當代MOMA藝術區內的北京型3226號機車
北京型3003號機車，由北京二七機車車輛廠於1974年製造（但車身上的工廠銘牌標識為1970年），原配屬北京鐵路局北京內燃機務段，至1990年代初轉配太原機務段，曾經擔當南同蒲鐵路太原至臨汾間的客車交路，退役后太原鐵路局於2008年將其贈送給中國鐵道博物館永久收藏。
北京型3181號機車，由北京二七機車車輛廠於1983年製造，後期出售給
中鐵一局集團有限公司，退役后交付給陝西鐵路工程職業技術學院，作為教學用車。
北京型3226號機車，由北京二七機車車輛廠於1984年製造，後期作為北京東北環鐵路望和支線和平里站的調車機車，至2000年代初望和支線改建成
北京地鐵13號線之後，該機車便一直存放於北京造紙一廠鐵路專用線，後來改為放置於北京市東城區東直門外的當代MOMA藝術區內，作為園區景觀。
北京型3242號機車，由北京二七機車車輛廠於1986年製造，退役后保存於瀋陽鐵路陳列館（該車為改號機車，原車號不明）。
北京型3263號機車，由北京二七機車車輛廠於1985年製造，曾經配屬北京鐵路局太原機務段，運用後期作為太原機務段段內的調車機車使用，退役后被存放於太原機務段北區的儲備場，至2014年太原機務段北區進行段區改造后，該機車進入新建的機車展示區保存展示。
北京型3278號機車，由北京二七機車車輛廠於1985年製造，原配屬鄭州鐵路局鄭州機務南段，退役後由鄭州鐵路局於2004年4月28日贈予
鄭州世紀歡樂園作靜態展覽。
北京型3290號機車，由北京二七機車車輛廠於1986年製造，原配屬北京鐵路局懷柔北機務段，退役后被放置在位於錦州市太和區凌西大街的南莊裡文化創意城。
