戚墅堰機車車輛廠確定中標後，立即研制新型機車。1988年3月，機車設計方案通過技術設計審查；1989年初開始進入試生產階段；同年，該型客運內燃機車正式定型為東風9。經過三年多的時間，戚墅堰機車車輛廠與10科研單位、5所高校、30多家工廠合作，於1990+0年底完成了首臺東風9型機車(0001)的總裝，並於當年通過。
同時，鐵道部決定以較少的投資和較短的時間，將廣深鐵路既有線改造為時速160公裏的準高速鐵路，為未來高速鐵路的發展進行探索和試驗。1990年，鐵道部發布“鐵機1901號”，正式將“廣深鐵路實現旅客列車最高時速技術方案研究”列為1990年鐵道部科技發展項目。1990年7月，國家計委、國家科委、鐵道部、廣東省委在廣州召開“廣深旅客列車最高時速160 km/h實施方案論證會”，明確要求戚墅堰機車車輛廠在東風9型機車的基礎上，立即啟動160km/h旅客機車方案論證設計工作。同時要求對正在試制的東風9號0002型機車改變牽引齒輪的傳動比，使機車最高速度由140km/h提高到160km/h，以配合廣深準高速鐵路的科研項目試驗，成為中國鐵路史上第壹臺準高速客運機車。第壹輛東風9型機車試制完成後，戚墅堰工廠進行了水阻試驗、廠線試運行和滬寧鐵路正線試運行。1990二月初，1990，機車離開戚墅堰廠，前往北京。同時，在鐵道部科學研究院的北京環線上用韶山5型電力機車進行了初步的性能調整試驗。試驗結果表明，東風9型機車的主要性能參數滿足設計要求。當牽引20輛編組25A客車時，列車運行速度可達145 km/h..東風9型機車完成調整試驗後，於1991 1結束返回戚墅堰廠，機車各部狀態良好。同月0001機車投產3萬公裏。同年，東風9型內燃機車獲得國家“七五”科技攻關重大成果獎。
1991年4月，建造速度160 km/h的東風9號0002號機車出廠。為了全面檢驗機車性能，0002機車於同年6月至8月在大連內燃機車研究所完成了熱家試驗，在環境溫度40℃左右的條件下，最高試驗速度達到170 km/h。1992年3月至6月，北京繞城鐵路以160 km/h的速度進行了國內首次準高速試驗，期間0002號機車牽引了5輛25A客車，最高運行速度達到163 km/h，這次試驗也為廣深準高速鐵路建設提供了大量的線路、道岔、橋梁、信號、母線等實測數據。
根據鐵道部安排，0001和0002機車分別作為鑒定試驗和運用考核的樣車。1992年6月至1年2月，0001機車在北京環線進行試驗，8月在南昌進行高溫降溫試驗。0002型機車自10月起在廣深鐵路投入運營1992 11.5萬公裏。兩臺東風9型機車於1993分配給廣鐵集團廣深鐵路總公司(現廣深鐵路有限公司)，在廣深鐵路投入運營，擔負廣深城際列車牽引任務。2003年初，東風9型機車曾作為廣九進港的牽引直通車。
2005年，兩臺東風9型機車的運行公裏已經到了大修期。為了提高零部件的通用性，方便日常維護和檢修，東風9型機車通過返回戚墅堰機車車輛廠進行大修，進行了大規模改造。除柴油機、轉向架、主發電機和車體仍使用原車部件外，其余部件與東風11型機車壹樣通用，並根據東風11型機車運用中發現的問題進行改進。主要改造部分包括:高低壓電氣櫃、主整流櫃全部改為東風11機車使用的型號；原電控裝置更換為32位微機控制系統，並安裝了以摩托羅拉MC68332微處理器為核心的南車時代電氣公司開發的LCS32微機系統，增加了各種傳感器。實驗用的ZD106s牽引電機被ZD 106牽引電機取代。變速器傳動比改為與東風11機車相同；更新整車駕駛室、輔助系統、電氣線路、空氣管路。改造後東風9型機車性能與東風11型機車基本相同，最高運行速度為170 km/h，2005年6月5438+10月初，兩臺東風9型機車交付廣深鐵路有限公司。
2008年6月，廣鐵集團對廣廣鐵路廣州至長沙段客運交路進行調整，兩臺東風9型機車被分配到廣州機務段韶關作業車間，擔任廣州至韶關至衡陽段客運交路。機車采用交流DC傳動，采用TQFR-3000C-1三相交流同步發電機和ZD106 DC牽引電機。柴油機通過彈性聯軸器直接驅動三相交流同步牽引發電機，通過矽整流器將牽引發電機產生的三相交流電整流成DC電力，然後輸送到兩個轉向架上的六個並聯的DC串勵牽引電機，通過傳動齒輪驅動車輪。
東風9型機車的電控系統借鑒了美國引進的ND5型機車的恒功率勵磁控制系統和粘著控制系統。柴油發電機組恒功率控制系統能保證柴油機在各種轉速下運行，整流櫃輸出在機車牽引工況下具有恒功率特性；但在制動條件下，電阻制動具有勵磁電流恒定的特點。此外，該裝置還具有輪對防轉防滑功能，提高了機車的附著系數。機車走行部為兩個相同的三軸轉向架，軸箱拉桿定位、壹系獨立懸掛、低牽引桿等都沿用了我國國產內燃機車普遍采用的結構。為滿足機車高速時的動力學性能要求，東風9型機車在國內首次采用雙面六連桿輪對空心軸牽引電機全懸掛和高彈性圓彈簧二系懸掛。帶輪對的空心軸牽引電機全懸掛的特點是牽引電機的全部重量懸掛在轉向架構架上，牽引電機的扭矩通過牽引齒輪、彈性六連桿機構和空心軸匯集，從而驅動輪對。與抱軸轉向架結構相比，空心軸式輪對各軸簧下重量可減輕近50%，大大降低了高速運行時的輪軌力。兩側六連桿輪對的空心軸結構也被後來的東風11、韶山8等準高速客運機車所采用。
此外，車體與轉向架之間的二系懸掛也采用高彈性圓彈簧結構，四個獨立的圓彈簧布置在轉向架兩側的旁承上，垂向靜撓度大，橫向剛度小，能改善機車高速通過曲線的性能；二系懸掛還配備了垂直和水平油壓減振器和防蛇行減振器，均由呂慧儀制造。