1954年，中央决定建设新中国第一个机车制造厂，同年9月3日，工厂厂址确定于山西大同。

　　1957年8月16日，大同机车厂正式破土动工，这是新中国成立后在铁路工业领域新建的技术含量最高的工厂。

　　1959年，大同机车厂第一台和平型蒸汽机车下线。

　　1964年，大同机车厂成功试制首台前进型蒸汽机车。

　　1979年，大同机车厂前进型蒸汽机车产量突破3000台。

　　1986年，大同机车厂首台东风4型内燃机车下线；同年，该厂蒸汽机车总产量突破5000台。

　　1988年，大同机车厂最后一台蒸汽机车下线，工厂主产品正式转产；同年秋，大同机车厂和原铁道部等有关部门联合主办了“中国首届大同国际蒸汽机车节”和“中国历代蒸汽机车巡回展”。

　　1990年，大同机车厂首台韶山3型电力机车下线。

　　1992年，大同机车厂研制的首台韶山7型电力机车下线。

　　1998年，大同机车厂研制的首台时速120公里的韶山7C型电力机车下线。

　　2000年，南、北车集团成立，大同机车厂归属中国北车集团。

　　2002年，大同机车厂研制的时速270公里的“中华之星”高速动力车和时速200公里的“天梭”号交流传动电力机车下线；同年，“中华之星”动车组在秦沈客运专线创造了最高时速321.5公里的“中国铁路第一速”。

　　2003年，大同机车厂改制为中国北车集团大同电力机车有限责任公司（简称“同车公司”）。

　　2004年，同车公司技术中心被认定为国家级企业技术中心。

　　2007年，同车公司首台国内组装和谐2型电力机车下线。

　　2008年，同车公司和谐2型大功率电力机车在大秦线2万吨重载组合列车牵引试验中取得成功。

　　2010年，同车公司与白俄罗斯铁路联盟签署干线货运交流传动电力机车采购合同，中国铁路重大技术装备首次出口欧洲；同年，该公司研制的和谐2B型、2C型大功率交流传动电力机车竣工剪彩。

　　2011年，同车公司进入山西省装备制造业前三甲，并取得国际铁路行业（IRIS）认证证书。

　　2012年，同车公司向白俄罗斯交付首批中白货运1型电力机车；同年，同车公司交付神华集团两台和谐2型电力机车，大功率电力机车首次走进我国地方铁路；同年，首台装配“北车心”自主化和谐2型电力机车竣工下线。

　　2013年，同车公司获得18台中白货运2型电力机车订单；同年，自主化和谐2型电力机车投入批量生产。

　　2014年，同车公司研制的30吨轴重电力机车竣工下线，成功开启我国大轴重重载电力机车科技之门。

　　2016年1月，随着“南北车”合并成立“中国中车”，企业名称变更为中车大同电力机车有限公司。

　　2019年，30吨轴重重载机车取得制造许可，成为复兴型电力机车的一种，是中国铁路未来重载运输的主型机车。

　　2020年，第一台CR240E矿用自卸车在中车大同公司设计制造完成出厂。

　　2021年1月27日，中国首台氢燃料电池混合动力机车在中车大同公司下线，这开启了中国铁路装备的另一个能源方向；同年，该公司自主研制的300吨矿山“巨无霸”——CR330E矿用自卸车完成组装调试，正式投入工业性试验。