Как дальнейшее развитие конструкции тепловозов ТГМ6А и ТГМЗ был спроектированный и впервые построенный в 1971 г. Людиновским тепловозостроительным заводом тепловоз ТГМ4 (рис. 93). Кузов тепловоза выполнен по типу кузова тепловоза ТГМЗБ (длина тепловоза по осям автосцепки 12 600 мм), а тележки, как у тепловоза ТГМ6А. На тепловозе применен четырехтактный шестицилиндровый дизель 211 Д-1 (6ЧН 21/21) 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 ТГМЗ). 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 ТГМЗБ; такой же компрессор ВЛ и вспомогательный генератор ЗГТ-275/120; генератор смонтирован вместе с генератором В-600 электродвигателей вентиляторов в виде двухмашинного агрегата А-706Б. Этот агрегат ранее применялся на тепловозах 2ТЭ10Л (см. выше). Тепловоз ТГМ4 имеет вес в рабочем состоянии 80 тс.
Разновидностью тепловоза ТГМ4 является тепловоз ТГМ4А, который имеет вес 68 тс. У этого тепловоза использованы тележки тепловоза ТГМЗБ. Максимальные скорости на маневровом (27 км/ч) и поездном режиме (55 км/ч) такие же, как у тепловозов ТГМЗБ. Сила тяги продолжительного режима на манёврах 20 000 кгс.