В 1960 году Луганский завод транспортного машиностроения выпустил двухсекционный тепловоз на базе ТЭ10. Первый опытный двухсекционный тепловоз был обозначен серией ТЭ12 «Украина», однако МПС рекомендовало для серии обозначение 2ТЭ10 «Украина», ввиду незначительных конструктивных отличий от серийного, односекционного тепловоза ТЭ10 «Харьков».
Тепловоз представлял из себя две постоянно сцепленные секции ТЭ10, у которых со стороны холодильника кабины машиниста были превращены в переходный тамбур между секциями. Тепловоз был оборудован тяговыми двигателями ЭДТ-340Г, передаточное число редуктора — 68:15.
Все параметры нового локомотива были в два раза больше соответствующих параметров односекционного ТЭ10 (мощность и сила тяги при всех режимах, запасы топлива, песка, воды и масла).
После проведённых испытаний Харьковский завод в 1961—1963 годах построил ещё 18 тепловозов серии 2ТЭ10 с ТЭД ЭД-140 и передаточным числом редукторов 69:14.
Первые 5 локомотивов серии работали до 1964 года в депо Кандалакша Октябрьской железной дороги, заслужив положительные отзывы персонала, отмечавшего, что новые 2ТЭ10 имели одинаковую мощность по сравнению с тепловозами серии 3ТЭ3, однако были значительно удобнее в эксплуатации.
Остальные локомотивы серии, а позднее и первые пять, работали на Южной железной дороге. Списание тепловозов этой серии в основном происходило в 1980-х годах и к 1990 году в инвентарном парке МПС числился лишь один локомотив серии 2ТЭ10 — 2ТЭ10-008.