中华人民共和国建立后，铁道部根据铁路运行里程、路网密度、枢纽设置等因素，着手调整了机车车辆工业的布局。在合并、调整、改造原有机车车辆厂的同时，在各地等地新建了一批工厂。而同时为配合中国第一个五年计划时期（1953年—1957年）机械工业的建设部署，以发展冶金设备、发电设备、运输机械、金属切削机床的重工业制造为重点，建设一批大型现代化骨干企业。中国政府根据这一部署建设了投资1000万元人民币以上的重大项目70多个，其中为了填补铁路机车专业制造厂的空白，开始筹建大同机车厂，为“一五”期间156个重点项目之一，同时期建成的机车车辆厂另有长春客车厂、长春机车厂和株洲车辆厂。
1954年，经中央人民政府批准，第一机械工业部成立了“大同机车制造厂筹备处”。经过考察和论证，于1954年9月3日决定在山西大同筹建一座大型蒸汽机车制造工厂。1955年10月10日，第一机械工业部机车车辆管理局将大同机车制造厂筹备处易名为“四二八厂”。随后又在1957年3月27日批准取消“四二八厂”代号，正式更名为大同机车厂。虽然“四二八厂”此名称仅仅使用了不到两年的时间，然而至今大同的民众以“428”指代大同机车厂的情况仍然很普遍，伴随大同机车厂成立的大同机车高级技工学校，至今仍然惯称为“428技校”。
大同机车厂在历史上先后分别隶属第一机械工业部机车车辆工业管理局、铁道部机车车辆工业总局、中国铁路机车车辆工业总公司。2000年，随着国企主辅分离、辅业改制的浪潮，中国铁路机车车辆工业总公司重组为中国北方机车车辆工业集团公司和中国南方机车车辆工业集团公司，大同电力机车厂作为重要组成部分划归为中国北车集团，名为中国北车集团大同机车厂。2003年，中国北车集团对大同机车厂进行重组，组建“大同电力机车有限责任公司”。
同车公司是国内唯一一家生产过蒸汽、内燃、电力全部三大系列机车产品的制造企业。曾作为亚洲最大的蒸汽机车研制基地，累计生产各型蒸汽机车5571台，承担了全国铁路75%以上的客货运牵引任务。“七五”以来，为适应铁路发展形势，公司及时调整产品结构，先后转产内燃、电力机车，开创了内电并举的生产局面。1999年，在累计生产659台东风型内燃机车后，公司全面转向电力机车的研发和生产。截止2007年年末，已累计生产各型电力机车2659台。
为适应铁路实施跨越式发展战略的需要，同车公司加大技术引进与自主创新步伐，加强与国际机车车辆行业知名企业间的沟通与合作。2003年，公司被铁道部列为铁路装备行业六家重点扶持企业之一，2005年，同车公司与法国阿尔斯通公司合作，成功取得180台和谐2型大功率交流传动电力机车合同订单，合同总价值75亿元人民币，该型机车单机功率达1万kw,是目前世界上单机功率最大的重载机车；在此基础上2007年公司又签订了500台和谐2B型六轴大功率交流传动电力机车合同订单，合同总价值112亿元人民币，以上项目对于中国铁路装备现代化进程起到了巨大的推进作用，同时也赋予了企业实现技术创新、晋级世界一流轨道交通装备企业的重大历史机遇。
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