С 1981 по 1990 год Ворошиловградский завод изготовил 3513 двухсекционных тепловоза серии 2ТЭ10М и 639 трёхсекционных тепловоза серии 3ТЭ10М, являвшихся дальнейшей модернизацией 2ТЭ10В.
Основные отличия тепловозов серии 2ТЭ10М и 3ТЭ10М от тепловозов предыдущих серий 2ТЭ10В и 2ТЭ10Л:
возможность управления тремя секциями тепловоза с одного пульта;
возможность переводить одну или две ведомые секции в режим холостого хода с выводом дизеля на обороты 8-й позиции (для более быстрой накачки воздуха компрессором или охлаждения без нагрузки, так как обороты вентилятора холодильника напрямую зависят от оборотов дизеля);
увеличено число приборов на пульте управления. Сигнальные лампы на крайних секциях смонтированы на отдельных табло;
в цепях управления увеличено число цепочек диод-резистор (шунтирующих устройств катушек аппаратов) для исключения перенапряжения при выключении цепей;
электрическое управление отпуском тормозов;
наличие цепей управления, управляющих адсорбционным осушением сжатого воздуха, поступающего в главные резервуары;
три розетки межсекционных соединений;
измененная конструкция штепсельных разъёмов между АКБ некоторых секций;
минусовые штепсельные разъёмы в аппаратных камерах и на пульте управления для облегчения поиска неисправностей в схеме;
переговорное устройство между кабинами секций;
Средняя секция оборудована только пультом для маневровых работ и вспомогательным тормозом и не используется отдельно для вождения поездов, так как не имеет приборов безопасности и крана управления тормозами поезда.
В 1981 году завод выпустил партию из 20 локомотивов серии 2ТЭ10МК, отличавшихся тем, что на них устанавливались дизели 5Д49 Коломенского тепловозостроительного завода (как и на тепловозах 2ТЭ116) вместо дизелей 10Д100, использовавшихся на остальных тепловозах серии ТЭ10.
Ряд тепловозов серий 2ТЭ10М и 2ТЭ10МК в дальнейшем переоборудовались в трёхсекционные варианты 3ТЭ10М и 3ТЭ10МК.
С 1983 года строились тепловозы 4ТЭ10С, специально рассчитанные на высокую грузонапряженность и эксплуатацию в условиях Байкало-Амурской железной дороги. Локомотивы с бортовыми номерами 4ТЭ10С от 0001 до 0025 в данный момент находятся в эксплуатации на Дальневосточной железной дороге. Депо приписки ТЧЭ-11 Тында, Высокогорная и ТЧ-13 Новый Ургал, на четырёх машинах установлены дизели серии Д-49 после ремонта КРП на Уссурийском тепловозоремонтном заводе.