С октября 1961 года выпуск тепловозов серии 2ТЭ10 начал Луганский тепловозостроительный завод, при этом в конструкцию 2ТЭ10 Харьковского завода были внесены серьезные изменения. Серия получила наименование 2ТЭ10Л — Луганский.
Основным отличием тепловозов серии 2ТЭ10Л стал переход от несущего кузова к несущей раме с широкой унификацией с выпускавшимся на заводе тепловозом ТЭ3, причем уменьшилась на 1641 мм длина секции по автосцепкам и почти на 1,5 тонны уменьшилась масса секции. Тяговые параметры остались такими же, как у тепловозов 2ТЭ10.
Запасы топлива и песка возросли до 2×6300 кг и 2×1000 кг соответственно. Служебная масса составила 255,6 т. Скорость длительного режима — 24 км/ч, конструкционная скорость — 100 км/ч. На тепловозе использован автоматический пуск дизелей и реализована возможность перехода машиниста между кабинами без остановки дизелей.
В ходе выпуска в конструкцию вносилось множество изменений, связанных с электрическими схемами, с переходом с ТЭД ЭД-104А на ЭД-107, а затем на ЭД-118А (также производства Харьковского завода «Электротяжмаш»), с изменением конструкции колёс, кабины и т. п.
Тепловозы серии 2ТЭ10Л изготавливались по 1977 год включительно. Всего было выпущено 3192 тепловоза данной серии. Эксплуатировались эти локомотивы на более чем десяти железных дорогах страны, успешно заменяя менее мощные тепловозы ТЭ3.
С 1993 по 1998 года в России происходило массовое списание 2ТЭ10Л по приказу МПС, длящееся до сих пор. В России они остались в основном на Горьковской железной дороге. Также их много в республиках Средней Азии, особенно в Туркменистане, и в Молдове.