幹線から蒸気機関車を廃する「無煙化」を推進するため、1962年から1978年までの16年間に649両が製造された。
先行して導入されたものの幹線用としてはやや非力であった電気式のDF50形に代わる、本格的な幹線用主力機として開発されたもので、速度面では旅客列車用大型蒸気機関車C61形を、牽引力では貨物列車用大型蒸気機関車D51形を上回る性能を持つように設計されている。
本形式の登場後も、より大出力のエンジンを1基装備したDD54形や、軸重を軽減したDE50形など、幹線・亜幹線用のディーゼル機関車が開発・製造されたが、前者は不調続きで短命に終わり、後者は電化の進展で投入する機会が得られず、試作機のみで終わった。その結果、合理化推進のための車両「標準化」により、性能の安定したDD51形のみが長期量産・運用されることになった。
本形式は、最盛期には四国地方を除く日本全国で使用され、非電化幹線の無煙化・動力近代化を推進した。しかし、電化の進展と客車・貨物列車の減少により、1987年のJR移行までに約3/5が余剰廃車され、JR各社には593号機以降の完全重連タイプのみの259両が継承された。
その後も客車・貨物列車のさらなる減少、DF200形など新型機関車への置き換え、加えて老朽化のため、少しずつ数を減らしつつある。しかし、本州以南向けの後継機の開発がないこともあり、日本貨物鉄道（JR貨物）所属車には延命のための更新工事が実施されるなど、本形式は当面継続して使用される見通しである。
側面から見ると凸型となる車体全長中央部に運転台を備え、前後に合計2基のエンジンを搭載した大型機関車である。2軸ボギー台車3組を装備し、うち両端台車が動力台車とされ、無動力の中間台車によって全体の軸重を軽減している。
幹線用の大型機関車としては世界でも一般的とは言い難い、小型機関車と同様の中央部運転室を持つ凸型車体を採用したが、この形態を採用した理由は、最大軸重の制限による軽量化要請への優位性、エンジン回りの整備性の良さ、機器配置の容易さなどによるものである。全長は大きいが、B-2-B軸配置による重量負担配分と、凸型車体運転台前後のボンネットとの間に緩衝ゴムを挟んだ柔結合としたことで、台枠自体の垂直強度をある程度落としての軽量化を許容している。
2基のエンジンは、入換・支線用小型機DD13形での実績をベースに新開発された1,100psディーゼルエンジンで、排気過給機（ターボチャージャー）と中間冷却器（インタークーラー）を装備する。
動力伝達方式は、軌道の重量制限に対処する軽量化のため海外大型機関車の主流である電気式をやめ、日本での量産大型ディーゼル機関車では初めて液体式として製造された。動力伝達システムは、全長両端の動力台車2基4軸を、1エンジンに1変速機・1台車の配分で駆動している。前後の機械室にはエンジンと逆転機内蔵の液体変速機（DW2A）の間に第1推進軸が、液体変速機と台車の第1減速機（動力台車の運転室側）の間に第2推進軸が、第1減速機と第2減速機（動力台車の先頭側）の間に第3推進軸がそれぞれ繋がり、動力が伝達される。
エンジンの補機駆動軸（充電発電機と空気圧縮機を駆動させ、機関潤滑油･変速機油･機関と中間冷却器の冷却水のポンプを駆動し循環させて油を潤滑･冷却し冷却水を冷却する）で専用の油圧ポンプを作動させ、各両端ボンネットの先頭部分上にある静油圧駆動方式のラジエーターファンを駆動して、先頭部分両側側面のラジエーターの冷却を行っている。
車体中央にある中間台車（付随台車）は、開発当初、全体の軸重を亜幹線基準の14tに抑制する手段に過ぎなかったが、増加試作車ではライナー挿入、更に量産車では空気バネを搭載して空気バネ内の空気圧を調整することにより、動力台車の軸重を14tと15tとの2段階に調整できるようになった。これによって、亜幹線への入線能力と、規格の高い重幹線での動輪粘着力確保を両立可能としている。
【1000番台】
製造時期：1966年 - 1977年
重連運転のための重連総括制御装置を搭載した区分で、重連形と呼ばれる。さらに、ブレーキの制御方式で以下のように区別される。一部を除いて蒸気発生装置を搭載したが、2011年現在は使用していない。
非電化幹線・亜幹線の無煙化促進のため多数が増備されたが、1970年代半ば以降は、同じディーゼル機関車で旧式化したDF50形や、故障に悩まされ信頼性が低いDD54形を代替している。この番台区分以降より、すべて外ハメ式の尾灯が用いられた。
■半重連形：501 - 592号機が該当する。
■全重連形：593 - 799号機、1001 - 1193号機が該当する。
釣り合い引き通し管を装備し、重連運転時に次位の補機まで単弁が作動するように改良された区分である。一部の半重連形で釣り合い引き通し管を新設し、全重連形に改造されたものも存在した。
1001以降は、500番台が799まで達したため貨物用800番台との重複を避け1001へ飛び番となったグループである。
JRに継承されたものはこのグループが多い。このグループからナンバープレートが切り文字式からブロック式に変更された。1010以降は運転室内前後の天井に扇風機が設置されたため、運転室屋根に突起が2か所ある。また1052以降はラジエーターカバーが2分割タイプに変更された。
北海道地区に配置された500番台は半重連形と全重連形とを区別するため、区名札の隣に「半」「重」の識別札を挿入していた。2011年現在では北海道旅客鉄道（JR北海道）函館運輸所所属の重連形に「函」「重」の札が残るのみだが、国鉄時代は「築」「重」（小樽築港機関区）、「五」「重」（五稜郭機関区）、「釧」「半」（釧路機関区、半重連形）、「釧」「重」、「旭」「非」（旭川機関区、非重連形）などの組み合わせが存在した。
北海道内で使用された本区分のうち、1972年に前照灯をボンネット前端上に増設し、3灯化された車両が存在する。冬季降雪時の視界確保のためで、五稜郭機関区などに配置された5両 (710・716・741・742・745) に施工された。745は1986年に本州へ転属後も補助灯を存置し、東日本旅客鉄道（JR東日本）長岡車両センターに配置され2002年まで磐越西線などで使用された。また入換作業時の誘導掛への連絡用として、スピーカーを装備した車両も北海道地区では多く見られた。
【気候条件に対する仕様区分】
DD51形はほぼ日本全国に配置されたため、配置された気候条件によって以下の仕様がある。
・一般型
気候が温暖な地域に配置された標準的な仕様である。スノープラウが装備されないものが多く、関東以西に配置されたものに見られる。
・A寒地仕様
気候が極めて寒冷な地域に配置された仕様である。おもな追加装備は耐雪ブレーキ・スノープラウ・旋回窓・ホース類の凍結防止用加熱装置・つらら切り兼前面窓プロテクター（2011年現在は東新潟機関区のみ）である。北海道・東北地区に配置されたものと中部地区に配置されたものの一部に見られる。
・B寒地仕様A寒地仕様程気候が寒冷ではない地域に配置された仕様である。おもな追加装備はA寒地仕様に準じるが、耐雪ブレーキ・旋回窓・つらら切り兼前面窓プロテクターは装備していない。山陰を中心とした中国地区に配置されたものに見られる。
【運用】
1987年の国鉄分割民営化に際しては、北海道旅客鉄道（JR北海道）25両、東日本旅客鉄道（JR東日本）29両、4両が東海旅客鉄道（JR東海）、西日本旅客鉄道（JR西日本）63両、九州旅客鉄道（JR九州）1両、日本貨物鉄道（JR貨物）137両の計259両がJR各社に継承された。すべて重連形の500番台および800番台である。
運転列車の設定の消滅やJR貨物に限られるが新型機関車への置き換え、老朽化などにより本形式は徐々に淘汰されつつある。九州地区では2005年1月をもって定期運用が消滅し、JR東海およびJR九州ではすでに全廃されている。2012年4月1日時点の在籍車は、JR北海道13両、JR東日本4両、JR西日本5両、JR貨物50両の計72両である。 |
