Первый опытный образец тепловоза ТГМ4а был изготовлен в 1971 г., тепловоза ТГМ4 - в 1973 г. Серийное изготовление этих тепловозов началось в 1974 г., продолжалось весь период 1976-1985 гг. и после него. Основным отличием тепловозов ТГМ4а от тепловозов ТГМ4 является уменьшенный сцепной вес.

Кузов тепловоза выполнен по типу кузова тепловоза ТГМ3Б (длина тепловоза по осям автосцепки 12600 мм), а тележки, как у тепловоза ТГМ6А. На тепловозе применен четырехтактный шестицилиндровый дизель 211Д-1(6ЧН21/21) с наддувом и непосредственным впрыском топлива. Диаметр цилиндров 210 мм, ход поршня 210 мм. Номинальная мощность при номинальной частоте вращения вала 1400 об/мин 750 л. с. (такая же, как у дизеля М753Б тепловозов ТГМ3). Расход топлива при номинальной мощности 160 г/(э.л.с.ч.). Вес дизеля 4550 кгс.

На тепловозе установлена гидропередача УГП-750-2Т, как и на тепловозе ТГМ3Б; такой же компрессор ВП(3-4)/9 и вспомогательный генератор ВГТ-275/120; генератор смонтирован вместе с генератором В-600 электродвигателей вентиляторов в виде двухмашинного агрегата А-706Б. Этот агрегат ранее применялся на тепловозах 2ТЭ10Л.

Тепловоз ТГМ4 имеет массу в рабочем состоянии 80 т. Он развивает на маневровом режиме при скорости 5 км/ч длительную силу тяги 23000 кгс, на поездном режиме при скорости 15 км/ч - 9000 кгс. Конструкционная скорость тепловоза на маневровом режиме 27 км/ч, на поездном - 55 км/ч; минимальный радиус проходимых кривых 40 м. Запас топлива на тепловозе 2870 кг, воды в системе охлаждения дизеля 380 кг, масла дизеля 255 кг, масла гидропередачи 245 кг, песка 900 кг. Масса балласта 15 т.

Масса тепловоза ТГМ4А в рабочем состоянии 68 т за счет уменьшения массы балласта. У этого тепловоза использованы тележки тепловоза ТГМ3Б. На маневровом режиме при скорости 5 км/ч тепловоз развивает длительную силу тяги 19800 кгс. Максимальные скорости на маневровом (27 км/ч) и поездном режиме (55 км/ч) такие же, как у тепловозов ТГМ3Б. Сила тяги продолжительного режима на маневрах 20000 кгс.

Тепловоз ТГМ4Б предназначен для выполнения маневровой и вывозной работы на станциях железных дорог и на промышленных предприятиях.

Дизель - 211Д-3М (обозначение по ГОСТ - 6ЧН21/21) четыpехтактный шестицилиндpовый рядный, с газотурбинным наддувом и охлаждением наддувочного воздуха. Частота вращения - 1200 об/мин. (Производится ОАО «Волгодизельмаш» г. Балаково).

Гидропередача УГП750/202М унифицированная, двухаппаpатная (два гидротрансформатора), имеет два pежима движения: маневpовый и поездной. В гидpопеpедачу встpоены пpивод генеpатоpа и гидромуфта привода компрессора. (Производится ОАО «Калугапутьмаш» г. Калуга).

Ходовая часть обеспечивает хоpошие динамические качества и вписывание в кpивые малого pадиуса. Тележки двухосные со сбалансированным одноступенчатым рессорным подвешиванием. Осевые редукторы соединены карданными валами между собой и с выходным валом гидропередачи.

Тормозная система оборудована автоматическим пpямодействующим тормозом с односторонним нажатием колодок; для получения высокой надежности пневматического тормозного оборудования применена система осушки сжатого воздуха. Компрессор двухступенчатый с гидродинамическим приводом. Ручной тормоз - механический.

Кузов машинного отделения имеет двухстворчатые двери, люки и съемные элементы крыши, обеспечивающие свободный доступ к агрегатам при обслуживании, ремонте и демонтаже.

Кабина машиниста разработана с учетом действующих санитарно-гигиенических требований, в т.ч. по шуму и вибрации. Приборы для контроля параметров силовой установки и вспомогательных агрегатов, оборудование для управления и безопасного ведения поезда удобно расположены. На тепловозе предусмотрена система бдительности.

Управление тепловозом может осуществляться одним машинистом с любой стороны кабины; место нахождения машиниста указывается сигнализаторами, расположенными на торцах кабины.