從1999年起，部分鐵路局有鑒於東風4B型機車的牽引能力已不能滿足運輸的需要，但又缺乏資金購置新車型，為了節省成本而決定將部分東風4B貨運型機車按照東風4D貨運型的標準進行大規模翻新改造 。按2000年代初的價格標準，壹臺東風4B型機車返廠大修價格約為130萬元人民幣，而改造為東風4D貨運型只需260萬元人民幣 。這類機車主要配屬於烏魯木齊鐵路局和北京鐵路局、太原鐵路局。
主要改造內容包括：
機車總體布局。為了降低Ⅱ端駕駛室噪音，增加壹個輔助室和隔斷。機車布局變為：Ⅰ端駕駛室、電器傳動室、動力室、冷卻室、輔助室、Ⅱ端駕駛室。
司機室部分調整。保留原有整體結構不變動的前提下，更換了座椅和側窗，部分儀表換成雙針儀表。
改造電器傳動室。保留原車電器櫃、電阻制動櫃、勵磁機、啟動變速箱、前轉向架牽引電機通風系統。對電氣櫃的主整流櫃進行二次絕緣、通風改造；改造勵磁機，加裝微機控制的恒功率勵磁調節裝置；電氣櫃中加裝電子UK裝置、YZ-8電壓檢測裝置。
參照東風4D型機車，改造動力室，換裝16V240ZJD柴油機、TQFR-3000ZG主發電機；機車空氣濾清系統改造，更換DF4D或DF11的空氣濾清器，原安裝鋼板網濾清器處用鋼板或橡膠板等封閉、高風沙地區加裝保留鋼板網濾清器或復合材料濾清器；采用風機除塵；更換排氣煙筒；燃油系統、機油系統、冷卻水系統管線、冷卻結構進行更新改造；燃油粗濾清器、機油熱交換器、機油濾清器更新；原預熱鍋爐及配套系統拆除，加裝外接電源系統預熱。
更換機車牽引電機，改為ZD109B牽引電機。
改造冷卻室。冷卻單節由東風4B型機車的56組，改成44組；空出空間增設輔助室；輔助傳動裝置中傳動軸、冷卻鋼結構、靜液壓系統、走廊地板參照東風4D型機車進行布置；風泵電機改為ZD316型，縱向擺放改為橫向擺放。
增設輔助室，室內壹側為不銹鋼廁所，壹側改為工具箱和風源凈化裝置。
經過改造後，機車的總體布置情況基本上與東風4D貨運型機車相同，沿用東風4B型機車原件，維持相同的車體外觀和機車車號，而塗裝變成了與東風4D貨運型的藍色和黃色相間的色調。東風4B改D型機車的柴油機最大運用功率、機車最大輪周功率為2940千瓦、2425千瓦，比東風4B型機車提高了超過20%，改造後的機車在平直線路上牽引4000噸貨物列車運行的最高平衡速度為89公裏/小時，與壹臺標準的東風4D貨運型機車相當。 1994年，四方機車車輛廠在東風4B型機車基礎上研制了雙機重聯的東風4E型柴油機車，***生產了16組（32臺），配屬上海鐵路局南翔機務段使用。惟由於這種機車耗油量較高、運用的靈活性較差，隨著新壹代大功率機車的出現，全部16組東風4E型機車於2002年由戚墅堰機車車輛廠改造為32臺東風4B貨運型機車，新車號為東風47701～7732，而此號段與大連機車車輛廠制造的32臺東風4B型機車編號重復，因此每個編號各有兩臺機車。這兩批機車外觀基本完全相同，較為明顯的差異在於駕駛室空調的布置。