1971年，随着资阳内燃机车厂逐步建成投产，交通部决定先让其试制东方红2型液力传动调车机车，为以后试制东方红4型内燃机车累积经验。1975年初，根据铁道部决定，东方红4型机车的试制和改进任务交由资阳内燃机车厂继续进行，戚墅堰机车车辆厂将该型机车的全部技术资料转交资阳内燃机车厂。
1975年至1976年，资阳内燃机车厂在大连内燃机车研究所和西南交通大学等的协助下，对东方红4型机车的总体布置和传动系统重新设计，同时对16V200ZL-2型柴油机进行局部修改，并按照国家标准规定将型号变更为16V200Z型。1977年7月，资阳内燃机车厂先后成功试制首台16V200Z型柴油机和首台ZJ2122型液力传动装置。同年9月29日，资阳内燃机车厂试制的东方红4型0002号机车正式出厂。1979年和1981年，资阳内燃机车厂又先后试制了东方红4型0003号、0004号两台机车。
1977年11月，东方红4型0002号机车开始进行10万公里运用考核，在成都铁路局西昌铁路分局和成都铁路分局管内进行正线牵引试验，试验区间包括成昆铁路西昌至金江、西昌至普雄、成渝铁路资阳至资中、资阳至成都等地。1978年11月，0002号机车转往北京铁路局丰台机务段，在京原铁路丰台西至灵丘、丰沙铁路丰台至沙城区间继续进行试验，直到1980年8月因车轴齿轮箱故障而返厂为止，结束了历时两年零九个月的试运行，期间累计走行99009公里，最终仍未能完成10万公里运用考核。
东方红4型0003号机车于1979年12月到达丰台机务段并开始试验，至1980年12月因柴油机故障而返厂。1981年5月，资阳内燃机车厂制造的三台东方红4型机车在贵阳铁路分局遵义机务段投入运用，担当川黔铁路遵义至贵阳南间的货物列车牵引任务，其中两台机车一直在遵义机务段运用至1988年。
东方红4型机车在成昆铁路和京原铁路等地试运行时，多次发生因柴油机故障而机破停车的状况，机务部门对该型机车的印象亦不甚理想。
1982年7月，面对当时中国铁路运能紧张及内燃机车产能不足的形势，铁道部向资阳内燃机车厂下达指示，要求停止东方红4型机车和16V200Z型柴油机的试制试验，并转产东风4型内燃机车。至此，东方红4型内燃机车的发展彻底终结。