1965年，川黔鐵路重慶至貴陽段投入運營，成都鐵路局遵義機務段成立。這是繼北京內燃機車段之後，中國第二個內燃機車段。同年，第壹批東風內燃機車被分配擔任川黔鐵路貴陽至趕水間的機車路線。1966年，蘭州至烏魯木齊蘭新鐵路正式建成通車，烏魯木齊鐵路局柳園機務段(原鐵道部第壹工程局)同時成立，並分配了大量東風內燃機車，主要負責蘭新鐵路三道溝-柳園-哈密間客貨列車的牽引，這也是西北地區第壹個內燃機車機務段。同年，連接貴陽和昆明的貴昆鐵路建成通車，成都鐵路局水城機務段(後更名為六盤水機務段)成立，開始配屬東風內燃機車承擔貴昆鐵路六盤水至宣威的客貨列車牽引任務。同時，昆明鐵路局昆明機務段也開始分配東風、東風2型機車。
1967年，柳州鐵路局馬尾機務段開始裝備東風機車，在以陡坡急彎著稱的黔桂鐵路投入使用。此後，黔桂鐵路的牽引動力逐漸改為內燃機車，取代了此前使用的解放1型蒸汽機車。馬尾機務段機車數量在1973年初達到歷史峰值。當年，該段東風機車多達128輛，後來有近壹半分配給了同年成立的金城江機務段。65438-0969年，為開發大興安嶺森林資源而修建的嫩林鐵路(現為福西鐵路)嫩江至加格達奇段建成通車，齊齊哈爾鐵路局加格達奇機務段成立，東風內燃機車開始配屬。次年，嫩林鐵路加格達奇至張玲段建成通車，塔河機務段成立，開始劃歸東風機車。1970成昆鐵路成都至昆明段全線建成通車。昆明鐵路局廣通機務段、成都鐵路局峨眉機務段、成都鐵路局西昌機務段同時成立，大批東風內燃機車被分配承擔跨成昆鐵路客貨列車牽引任務。自1972起，東風3型客運機車投入批量生產，分配到部分急需機車的客運機務段。廣州鐵路局長沙機務段是第壹個擁有東風-3型機車的機務段，擔負著京廣鐵路郴州-長沙-嶽陽間旅客列車的牽引任務，替代老舊的勝利-3、勝利-6型蒸汽機車。1973年，上海鐵路局上海機務段配屬東風3型機車，替代使用年限近40年的KF蒸汽機車，負責京滬鐵路與上海、寧蚌埠間旅客列車的牽引。同年，大量東風3型機車分配到鄭州鐵路局鄭州機車廠南段，擔任京廣鐵路武昌-鄭州-安陽與隴海鐵路陜西(三門峽以西)-鄭州-徐州-蚌埠之間的客運線路，取代過去使用的以人為本、以勝利為導向的蒸汽機車。同時，北京鐵路局石家莊機務段也開始分配東風3型機車承擔京廣鐵路北京-石家莊-安陽間的客運牽引任務。此外，東風-3型機車還被分配到廣州鐵路局廣州機務段和沈陽鐵路局沈陽機務段，分別在廣深鐵路和沈大鐵路投入使用。
1973年，鄭州鐵路局桐樹店機務段(後更名為襄樊北機務段)開始裝備東風機車，在邯鐵、襄渝鐵路投入使用，替代FD、前鋒蒸汽機車。同年，蘭州鐵路局蘭州西機務段劃歸東風機車，負責包蘭鐵路蘭州至甘棠間客貨列車的牽引。1974年，成都鐵路局貴陽機務段劃歸東風機車，開始由蒸汽機務段向內燃機車段過渡。1975期間，柳州鐵路局柳州機務段配屬東風機車，負責湘桂鐵路柳州至冷水灘間旅客列車的牽引。65438-0978，貴陽機務段東風機車開始在湘黔鐵路投入使用。自1970年代後期以來，東風3型機車因牽引功率低而被性能更好的客運機車所取代。隨著東方紅3型內燃機車投入批量生產，沈陽機務段逐步將東風3型機車全部轉讓。上海鐵路局和廣州鐵路局的東風3型機車逐步被羅馬尼亞進口的ND2型內燃機車取代。從1982開始，鄭州機車南段掛了大量北京內燃機車。在65438+80年代中期，這些剩余的東風-3型機車被相繼改造成東風-3型貨運機車，並在中國西南各機務段投入使用，以加速淘汰舊蒸汽機車。1983期間，柳州鐵路局融安機務段配屬東風機車，負責劉彘鐵路柳州-融安-懷化站(懷化南)間客貨列車的牽引。同年，加格達奇、塔河機務段部分東風機車轉入伊圖裏河機務段。1985年，成都鐵路局九龍坡機務段(後更名為重慶南機務段)開始配屬東風機車，更換解放後的先進蒸汽機車，承擔湘渝鐵路重慶至大仙、成渝鐵路重慶至內江、川黔鐵路重慶至趕水、三江至萬盛3萬條支線的客貨運輸任務。
1980年代後期，東風-3型客運機車已經從中國鐵路的機車序列中消失，大部分東風-3型機車修改了傳動齒輪比，改造成最高時速100 km/h的東風機車，使得東風機車在全國鐵路的數量達到1990年886臺的歷史高峰；同時，機車號由客運的“東風3-0XXX”改為貨運的“東風XXXX”，“客改貨”的東風機車主要占用“東風18XX”至“東風21XX”的號段，造成機車號混亂。65438年至90年代初，隨著貴昆、向倩、川黔、成昆鐵路的電氣化改造相繼完成，西南地區的東風機車逐漸退居二線，由幹線牽引改為幹線小運轉或調車任務。1994期間，成都鐵路局廣安機務段配屬東風機車，負責襄渝鐵路廣安至重慶西的貨物列車牽引。同年，內江機務段也轉入東風機車，在內江站擔任調車作業。此外，為滿足短途客運需求，壹些鐵路局將部分東風機車的齒輪比改為客運機車，用於牽引短途客車和通勤車。到1990年底，僅存的東風機車主要用於調車作業，仍有少數用於西南鐵路幹線。如重慶南車段使用東風機車牽引向莆鐵路旅客列車，直至1998完成向莆鐵路全線電氣化。
從1994到1995，成都機車車輛廠先後翻新了壹批從成都鐵路局和昆明鐵路局收集的10舊東風機車。經鐵道部同意，翻新車號變更為東風2201 ~東風2210，其中7臺(22065438+)其他3臺貨運齒輪比機車銷往路外廠礦，2207號機車由深圳邵峰水泥公司使用，其余2207、2208號機車下落不明。
從1995，黑河鐵路集團公司采購了第壹批東風內燃機車，分配到孫吳機務段承擔北黑鐵路客貨列車牽引任務。到了1996，原來的建設蒸汽機車全部淘汰。2002年，東風內燃機車被中國國家經貿委列入《淘汰落後產能、技術和產品目錄(第三批)》，要求盡快淘汰。2003年，黑河地方鐵路采購東風4B型內燃機車，淘汰了全部東風機車。同年，三毛鐵路公司引進GK1CB內燃機車，東風機車全部停產報廢。