本線系統を中心に活躍する蒸気機関車の置換え、つまり無煙化を推進するため昭和３７年に登場したディーゼル機関車です。
無煙化を推進するため、先行してＤＦ５０形式が登場しましたが非力であったため、本格的な本線用ディーゼル機関車として開発されました。速度は旅客用Ｃ６２形式よりも速く、牽引力では貨物用Ｄ５１形式よりも力持ちになるよう設計されています。登場後、大出力エンジンを搭載したＤＤ５４形式、軸重を軽減したＤＥ５０形式などの新型機関車が登場しますが、ＤＤ５４形式は構造上の不具合により短命に、ＤＥ５０形式は電化の進展に伴い、投入するタイミングを失い試作機のみで終わってしまいました。結果、性能の安定したＤＤ５１形式が長期に亘って製作され、６４９両が登場しました。
車体は中央部に運転台、その前後にエンジンを配置した大型の凸型スタイルであり、ボギー台車を３組用いたスタイルで、世界的に見ると幹線用大型機関車では例のない独特のスタイルです。
なぜ、凸型にしたのでしょうか？最大の理由は軸重制限です。幹線とは言えども、日本の地盤は軟弱であるため、軸重値が低くなってしまいます。このため、車体重量を軽くする必要があり、このスタイルになりました。また、車体重量を台車３組で負担し、運転台の前後とボンネットの間に緩衝ゴムを挟んだ柔結合とし、台枠の垂直強度を落として軽量化したことにより軸重の低減を図っています。
エンジンはＤＤ１３形式に使用されているＤＭＦ３１Ｓ形式を基に新しく開発されたＤＭＬ６１Ｚ形式ディーゼルエンジンで、気筒数を直列６気筒からＶ形１２気筒に変更、ターボチャージャー（排気過給機）、インタークーラー（中間冷却器）を装備し１１００ps/１５００rpm）の高出力エンジンになりました。これを２基搭載しています。
動力方式は軸重制限があるため、外国の大型機関車の主流である電気式は採用されず、液体式を採用しています。車体中央の台車は空気ばねを持っており、圧力の調整で軸重を１４ｔ又は１５ｔに選択できるようになっており、亜幹線への入線、幹線での粘着力確保を両立するようにしています。
国鉄からＪＲへは重連総括制御装置をもった５００番代、８００番代の２５９両が継承されました。旅客会社では廃車が進み、数を減らしています。貨物会社では後継の新型機関車を導入するも、置換えには時間がかかる見込みである上、本州地区の後継機が登場しておらず、最終増備車の登場から３０年以上経過していますが、更新工事を行うなどの対応で活躍をしています。

０番代（１～５３）

０番代と呼ばれる、試作機と初期の量産車で客貨両用機です。客車暖房用の蒸気発生装置（ＳＧ）を搭載していますが、重連総括制御装置はなく、非重連形とも言われます。
●ＤＤ５１　１～４（試作機）

第１次試作機で昭和３７年に登場しました。ＤＤ１３形式後期形に似たスタイルで、全体的に丸みを帯びています。写真は登場時の塗装に復元したもので、この車輛のみに施された独特の塗装となっています。
登場後は目標とする性能が得られずやきもきするような状態で、この結果を第２次試作機となる２～４号機に反映、改良した結果技術的な問題が解決し、１号機も改良が行われました。
●ＤＤ５１　５～５３（マワ車所蔵）

昭和３９年より登場した量産車のグループで、５～１９号機は先行量産型、２０～５３号機は初期量産型となります。試作車の結果を基に、長距離運転に備えて燃料タンク容量拡大が行われたほか、台車などの改良も行われています。２０号機以降はエンジンをＤＭＬ６１Ｚ形式に変更し、出力を１１００ＰＳに向上させています。

５００番代

重連運転の運用を行うため、重連総括制御装置を搭載したグループで、重連形とも呼ばれます。
●ＤＤ５１　５０１～５９２

このグループは釣り合い引き通し管が無く、重連運転時に本務機が単独でブレーキを操作した時、本務機のみブレーキが作用し、補機にはブレーキが作用しない。というもので、半重連形とも言います。
●ＤＤ５１　５９３～７９９・１００１～１１９３）

　　　

釣り合い引き通し管を装備し、補機もブレーキが作用するように改良したグループです。７９９番まで到達し、貨物用８００番代と重複を避けるため１００１へ飛び番となっています。１０１０号機以降は運転台に扇風機が設けられており、屋根上に２か所の突起があります。

８００番代（８０１～８９９・１８０１～１８０５）

　　

貨物列車の運用を主体とする目的で、ＳＧを搭載しないグループとして昭和４３年より登場しました。計画では貨物用という事もあり、「ＤＤ５２形式」を予定していましたが、国鉄内部の諸事情により番代区分という形になっています。
ＳＧに関係するボイラーや燃料タンクが省略され、運転整備重量が軽くなりました。このため、中間台車が改良されています。この他のものは重連形の５００番代に準じています。８５５号機以降は扇風機が設置され、屋根上に大きな突起が１つあります。
８９９号機の後は、飛び番となり１８０１となっています。この１８０１～１８０５号機は最終増備車で、成田空港ジェット燃料輸送用として増備されたもので、将来の客車列車牽引もありうることから、ＳＧ搭載の準備工事が施されています。

ＤＤ５１形式の仲間

●ＪＲ北海道

寝台特急列車及び寝台急行列車の運用があり、写真のように青い車体に金色の帯を巻き、流れ星が描かれた「北斗星色」となっています。
●ＪＲ東日本

　　　

高崎車両センターに４両が在籍しており、そのうちの３両はお召し列車指定機の準備工事が施されています。８４２号機で裾部のステンレス仕様などとなっており、８８８号機（写真右：長老フォトオフィス様撮影）及び８９５号機は裾部は銀色に塗装されています。

マワ車所蔵

北海道地区で活躍していた一部の車輛では、冬季の視界確保のため前照灯を一つ増やした車輛（三つ目車）がありました。そのうちの１両が転属で、新潟地区に配置され磐越西線などで活躍していました。
●ＪＲ貨物

　　

所有するＤＤ５１形式の更新工事を行った車輛で、上の２枚は「Ａ更新工事」と言われるもので、エンジンの換装はせず、老朽部品や配管を交換した車輛です。当初は写真左のように青色をベースにした塗装ですが、後に写真右のように朱色をベースにした塗装に変更されています。

上の写真は北海道地区のみに見られる更新工事を施したもので「Ｂ更新工事」と言われます。エンジンを換装しており、塗装をＤＦ２００形式に近いものとしています。

●九州地区

九州地区で使用されるＤＤ５１形式は正面のナンバープレートが赤地のものとなっており、転属などで九州以外の地域でも見る事が出来ました。