昭和１１年に登場した貨物用テンダー式蒸気機関車です。貨物輸送、太平洋戦争に伴う物資輸送を担うために大量に製作され、総数１１１５両にも達しました。この両数は、電気機関車、ディーゼル機関車を含めて、日本の機関車では同一形式での両数としては最大で、未だにこの記録は更新されていません。愛称は「デゴイチ」で、この両数のためもあり、日本の蒸気機関車の代名詞ともなっています。
昭和４年、歴史の教科書でも載っている「世界恐慌」。日本経済にも深刻な影響を与え、１９３０年代前半の鉄道輸送量は低下し、予定していた貨物用機関車の製作などは中断していました。その後、景気が回復するにつれて、徐々に輸送量が増加したため昭和１１年にＤ５１形式が登場しました。
Ｄ５０形式を基本に設計されており、燃焼室の無い広火室構造のストレートボイラーなど共通する部分もある一方で、Ｃ１１形式でボイラー製作に採用された電気溶接技術を応用し、構造や製作工法の見直しが行われ、軸重の軽減や車体長の短縮化が行われました。これにより、Ｄ５０形式では入線の出来なかった線区へも入線が可能となりました。（標準型以降は軸重がＤ５０形式よりも大きくなっています。）
全長はＤ５０形式の欠点を改良したもので、前頭部のオーバーハング（登山用語でひさしのように突き出た岩壁を意味するもので、自動車や鉄道車輛では車輪より外側へ突き出た車体の部分を言います。）が大きいＤ５０形式は退行運転や推進運転時に軽量な二軸車を脱線させてしまう事故を度々発生させていたため、Ｄ５１形式ではこれを改良しました。ターンテーブルではＤ５０形式は２０ｍ級のものしか使えませんでしたが、Ｄ５１形式は１８ｍ級のものが使用でき、これが運用の拡大、車輛数を増加させた一つの理由にあります。
また、性能面では戦時型よりボイラー使用圧力及び軸重を上げており、初期型、標準型も戦後になり、同様の改造を行っています。
Ｄ５１形式は形態的に３つの種類に分ける事ができます。
●初期型（Ｄ５１ １～８５・９１～１００）
最初に登場した９５両は、ボイラーの上にある煙突と砂箱の間に給水暖め器をレール方向に設置し、砂箱と一体化した長いキセを持っているのが特徴です。その後登場する標準型との区別をするため「半流線形形（略称：半流形）」と呼ばれ、ファンからは「なめくじ（その部分がそのように見えた事から。）」とも呼ばれています。２２、２３号機はキセが運転台まで延長されており、「全流線形形（略称：全流形）」と呼ばれ、ファンは「おおなめくじ」や「スーパーなめくじ」の愛称がありました。このスタイルとなった経緯は、Ｄ５０形式よりも前頭部を短くしたため、後部が重くなってしまい、そのバランスをとるためにこのスタイルとなりました。ちなみに、運転台は車体長短縮によりＤ５０形式よりも狭くなっています。また、動輪は前頭部より第１動輪、第２動輪、第３動輪、第４動輪と呼ばれ、軸重は引き出し時に重心が後ろへ移動する事で空転を発生しにくくするよう、第１動輪は軽く、後方の動輪を徐々に重くし、第４動輪が一番重いものとしています。Ｄ５０形式で採用された方法で、Ｄ５１形式でも採用されました。しかし、第１動輪が軽すぎて出力は向上したものの、空転が発生し易く、乗務員からは良い評価は得られませんでした。
●標準型（Ｄ５１ ８６～８９・１０１～９５４）
初期型では軸重の重量配分が適正ではなかったため、重量のある列車を牽き出す時に空転が多く発生しました。原因は第１動輪と第４動輪の軸重差であり、この改良試作として８６～８９号機が登場しました。外観では給水暖め器を煙突の前方に枕木方向に設置（写真の煙突の前にある円筒形のものが給水暖め器）し、重量バランスを見直しました。しかし、重量のある列車や勾配上での列車の牽き出し時には大きな改善とは言えず、先頭部のデッキにコンクリートの塊などの死重をを載せるなどで改善を行いました。
写真はＪＲ東日本に籍を置く、４９８号機です。
●戦時型（Ｄ５１ １００１～１１６１）
太平洋戦争真っ只中の昭和１９年に登場したグループです。標準型と同じですが、戦時設計となっており、ランボードやデフレクターなどに木材などの代用材を多く使用し、丸みのあるボイラー上にある砂箱キセをかまぼこ型に形状変更するなどの簡素化、炭水車は台枠を省略した船底形炭水車に変更しています。また、このグループではボイラー使用圧力の増大、軸重の増加が図られており、新形式とするところですが、１００１～としています。戦時中もあって、粗悪な代用材料を使用し、接合部などの簡素化などを行ったため、これらが原因によるボイラー爆発などの重大事故が多く発生しました。戦後になり、これらを改修する工事が実施されています。
全国の幹線や亜幹線を中心に活躍する姿が見られました。貨物用の機関車だけに地味な存在ではありましたが、時には旅客列車を牽引する姿もありました。戦後直後では不足する旅客用蒸気機関車として、本形式のボイラーと旅客用機関車の足廻りを組み合わせたＣ６１形式に３３両が改造されたほか、昭和３５年に地方線区へ転用するため、軸重軽減改造を施したＤ６１形式が派生形式として登場しています。
この他に、使用する線区の事情に合わせて様々な改造が施されており、例としては寒冷地対策に密閉形運転台の改造や副灯の装備、集煙装置（写真）及び変形デフレクターの装備など多岐にわたってバリエーションがありました。
廃車後も知名度の高いＤ５１形式は全国各地の鉄道保存展示施設、博物館、公園などの公共施設などで保存が行われ、そのうち１８７、４８８、７４５号機は準鉄道記念物に指定されています。
準鉄道記念物の１両である７４５号機。上毛高原駅前で展示されていましたが、現在は水上駅転車台広場に移設されています。
また、ＪＲ東日本では４９８号機、梅小路蒸気機関車館には２００号機が動態保存されています。
梅小路蒸気機関車館にて動態保存されている２００号機。