大连机车厂前身为俄国侵占时期的东清铁路机车制造所。1899年7月，俄国着手修建“达里尼”市第一期工程。东清铁道机车制造所作为首期工程的组成部分与“达里尼”市同时开始兴建。1903年，东清铁道机车制造所开业，成为中国最早的铁道工厂之一。
1914年工厂开始制造蒸汽机车。1924年生产出轴式为1-4-1的米卡拉2型大型蒸汽机车。1934年生产出轴式为2-3-2的太平洋7型蒸汽机车，该型机车牵引了当时最著名的第一高速列车“亚细亚”号，最高测速为130公里/小时，远远领先于当时世界上所有火车。该型机车代表着当时最科学、最先进的客运动力机车。1943年3月1日，“亚细亚号”在满铁线上消失。“亚细亚号”蒸汽机车现存两辆，陈列在沈阳蒸汽机车博物馆。
1945年8月15日，日本投降。日本人在撤离工厂时留下一句话：“这里将来只能种高粱”。在这种艰苦条件下，中国员工团结一心，克服困难，在1948年恢复了生产。他们修好的蒸汽机车源源不断地开往前线，支援了全国解放战争。
为了发展铁路事业，铁道部于1953年决定研制中国自己的蒸汽机车，这项重大的任务交给大连机车厂。1956年9月18日，中国第一台自行设计制造的大功率“和平型”蒸汽机车研制成功了，并达到当时的世界先进水平，从此结束了中国人自己不能设计蒸汽机车的历史。
1965年，大连机车厂实现了由制造蒸汽机车向内燃机车的历史性转变，成为我国第一个内燃机车制造厂。1969年9月26日，第一台东风4型内燃机车在大连机车厂诞生，1974年，大连机车厂批量生产东风4型内燃机车，结束了我国不能自行设计制造大功率内燃机车的历史。