1967年11月7日，首台原型车在伏罗希洛夫格勒工厂竣工，新机车被定型为TE109型（ТЭ109），采用3000马力的1А-5Д49型四冲程柴油机，也是苏联第一种采用交—[[直流电]]传动装置的柴油机车；通过采用不同的牵引齿轮传动比，可以使TE109型机车作为货运或客运机车使用，最大运行速度分别为100公里/小时和140公里/小时。1968年至1969年间，在[[全苏铁道运输科学研究院]]的组织下，TE109-001、002号机车与2TE40-005、2TE10L型柴油机车，在敖德萨-基希讷乌铁路局的伯尔兹机务段进行了对比试验。试验结果表明，在相同的运用条件下，TE109型机车及2TE40型机车的燃油消耗量比2TE10L型机车减少9～11%（按单节机车计算）。