1962年，根據日本國鐵動力現代化調查委員會制定的「動力現代化長期計劃」和標準型柴油機車型譜，日本國鐵開發研製了幹線客貨運通用的DD51型液力傳動柴油機車，經過改進後於1964年開始投入批量生產，成為日本國鐵史上運用最廣泛的幹線柴油機車。與此同時，作為世界上第一條高速鐵路的東海道新幹線，亦正在加緊施工以趕及在1964年10月的東京奧運會前夕通車營運。1964年，為方便對因故障中止營運的高速列車進行應急救援，以及滿足平時牽引高速軌道檢測車的需要，日本車輛製造在DD51型柴油機車的基礎上，研製了使用於標準軌距鐵路的911型柴油機車。
911型柴油機車的日常主要用途是牽引高速軌道檢測車，高速軌道檢測車每周至少一次在東京至新大阪間運轉，定期檢查東海道新幹線的軌道狀況以保證高速列車的運轉安全，因此需要一種運轉速度可達到160公里/小時的標準軌機車，來配合高速軌道檢測車執行任務。除此之外，萬一新幹線因遭遇颱風等原因而發生供電中斷，由於軌距不同而不可能從在來線借調柴油機車，因此亦需要一種標準軌柴油機車來救援陷於癱瘓的電聯車。另一方面，牽引各種工務車輛也是這種柴油機車的輔助用途。
日本國鐵根據上述目的為911型柴油機車制定了技術要求，機車最高運轉速度為160公里/小時，並可以在20‰坡道上牽引起動960噸列車（相當於滿員狀態的16輛編組新幹線0系電聯車）；考慮到粘著重量的利用和新幹線的軸重限制，這是一款整備重量為90噸的六軸柴油機車。為了滿足上述的技術條件，911型柴油機車使用的DW2B型液力傳動裝置具有工況齒輪機構，高速檔適用於速度要求較高的場合，例如牽引高速軌道檢測車或單機運轉，而低速檔適用於牽引力要求較大的場合，例如牽引大編組的電聯車。
除此之外，911型柴油機車還具備一系列對應新幹線的特殊設備，例如裝有用來與電聯車或工務車輛連接的雙頭式連結器，車上安裝了列車自動控制系統（ATC）和列車無線電設備。制軔系統方面，除了設有例行的自動氣軔機外，還設有對應高速列車的直通式電氣指令式空氣軔機機。考慮到萬一供電中斷時對高速列車進行救援的情況，機車上還搭載一台為列車應急照明供電的輔助柴油發電機。
1964年，日本車輛製造完成試製首台911型柴油機車。1965年，又生產了兩台加大功率的911型柴油機車。1號機車配屬於東海道新幹線大阪運轉所（今東海旅客鐵道鳥飼機廠），2、3號機車配屬於東海道新幹線東京運轉所（今東海旅客鐵道東京日檢車輛所）。
儘管其主要目的之一是牽引因故障中止營運的電聯車，但實際上911型柴油機車從來沒有因此執行過救援任務。即使新幹線列車在半途發生故障而癱瘓，由於考慮到列車運轉密度等因素，一般會利用先行列車或後續列車進行連掛救援，而不會出動柴油機車進行救援。911型柴油機車在平時的主要任務是在夜間維修天窗時段牽引921型0番台高速軌道檢測車。至1974年，新一代的922型10番台「黃博士」高速綜合檢測列車投入運用後，921型0番台高速軌道檢測車轉為後備車輛，而911型柴油機車通常只用來牽引工務車輛，或者在「黃醫生」列車檢修時再度牽引高速軌道檢測車。
1、3號機車分別於1984年和1986年中止營運報廢，餘下的2號機車是唯一一台在國鐵分割民營化之後被東海旅客鐵道（JR東海）繼承的911型柴油機車，這台機車於1995年報廢后被保存在濱松工廠，還曾經在工廠舉行的「新幹線真相發現日」展覽中展出。
911型柴油機車是用於標準軌距鐵路的液力傳動快速柴油機車，採用整體承載的全鋼焊接結構非貫通式箱型車體，半流線型的車體外形與後來的DD54型柴油機車和EF66型電力機車頗為相似。車體塗裝以深藍色（青20號）為主色，車體兩端配以黃色帶（黃色5號）作為警戒色。機車兩端設有特殊的雙頭式連結器，這種連結器結合了柴田式上作用自動力車鉤和柴田式密接連結器，其中前者用於連接由在來線貨車改造而成的工務車輛，而後者則用於連接新幹線電聯車；密接連結器已經包含空氣管路的自動連接，當機車與列車使用密接連結器連接時無需再連接制軔管。
車體兩端各設有一個司機室，司機室前窗由兩塊平面玻璃組成，前照燈和尾燈採用兩側縱列的布置方式。司機室內機車運轉方向的左側設有司機操縱台，右側設有副司機座席及手制軔裝置，司機室兩側設有供乘務員升降的側門。為了方便新幹線高速列車的司機駕駛這種柴油機車，司機操縱台的各種設備和儀表的布置都與新幹線0系電聯車幾乎一樣，操縱台中央位置設有兩個垂直的控制手把，其中左側的一個為控制柴油機轉速的主控制手把。
由於911型柴油機車裝有兩套對稱布置的動力傳動機組，機車上部從前端至後端順序布置有第一司機室、第一動力室、第一冷卻傳動室、電氣設備室、第二冷卻傳動室、第二動力室、第二司機室。司機室地板下的設備艙內裝有靜液壓泵和空氣壓縮機。動力室內裝有一台柴油機，以及燃油泵、起動馬達、機油熱交換器、空氣濾清器、排氣消音器等配套裝置。冷卻傳動室的下部裝有一台液力傳動裝置和蓄電池組，上部裝有「V」字形鋁制散熱器和一個靜液壓驅動的軸流式冷卻風扇。動力室和冷卻傳動室的車體兩側設有大面積通風百葉窗，內部並設有雙側內走廊。
電氣設備室位於車體中部，內設有制軔控制裝置、無線電通訊裝置、列車自動控制系統等設備，頂部還裝有一台空調以保持室內維持適當溫度，防止電氣設備因過熱而發生故障。電氣設備室的對面設有一台輔助柴油發電機，用來為故障列車的應急照明系統提供電源。電氣設備室和輔助柴油發電機之間設有一條小走廊。車體下方除了有三台轉向架外，還吊掛著燃油箱和總風缸。
1963年生產的1號原型車裝載兩台DML61S型柴油機，這是一種四行程、12氣缸、廢氣渦輪增壓、無中間冷卻的水冷式V型高速柴油機，平均有效壓力為每平方厘米9.83公斤，持續功率為2×1000馬力。1965年生產的2、3號量產車改為裝載兩台DML61Z型柴油機，與前者的主要差異是增加了增壓空氣中間冷卻器（中冷器），使平均有效壓力提升至每平方厘米10.80公斤，持續功率亦相應提高至2×1100馬力。
DML61Z型柴油機的氣缸直徑為180毫米，活塞行程為200毫米，氣缸夾角為60°；持續功率為1100馬力（820千瓦），額定轉速為每分鐘1500轉，最高轉速為每分鐘1650轉，單位燃料消耗量為175（+10%）克/有效馬力·小時，柴油機淨重量為5500公斤。柴油機採用電空式全速調速器來控制轉速，通過4個電感線圈構成14個調速擋位；與DD51型柴油機車不同的是，911型柴油機車可藉助於前後兩台柴油機的互相交替配合，使輸出功率和動輪扭矩可控制得更加精細，從而構成了總共27個調速擋位。
兩套相同的動力傳動機組對稱布置，每套機組驅動其中一台兩端轉向架上的兩根動軸，以及中間轉向架的其中一根動軸。液力傳動系統主要包括液力傳動箱、車軸齒輪箱、萬向軸及彈性聯軸節等部件。液力傳動箱安裝在轉向架之間的位置，通過橡膠閥座和球面軸承支撐在車體底架上。柴油機通過彈性聯軸節及第一萬向軸將功率傳遞到液力傳動箱，液力傳動箱下部設有前後兩個輸出法蘭；前端法蘭以第二萬向軸給兩端轉向架內側輪對的第一車軸齒輪箱傳遞扭矩，再經過第三萬向軸將動力傳到外側輪對的第二車軸齒輪箱；後端法蘭以第四萬向軸向中間轉向架的其中一個輪對的第三車軸齒輪箱傳遞扭矩。
911型柴油機車採用DW2B型液力傳動裝置，它是在DD51型柴油機車的DW2A型傳動裝置的基礎上，額外增加了工況齒輪機構和一對換向機構。液力傳動裝置由一對增速齒輪、三個充排油式變扭器、工況齒輪、減速齒輪、回動齒輪、控制機構等部分組成。工況齒輪可以使輸出軸的齒輪傳動比按需要而改變， 高速檔時的最大運轉速度為160公里/小時，在低速檔時為92公里/小時，前者用於單機運轉或牽引軌道檢測車，而後者在牽引故障列車時使用。傳動裝置的其他部分則與DW2A型相同，變扭器為三個單級三輪或四輪離心渦輪式液力變扭器，其中起動變扭器（第一變扭器）適用於機車起動和低速工況，而運轉變扭器（第二、三變扭器）適用於機車中高速運轉工況，使變扭器總是在高效率狀態下運轉。變扭器的運轉狀態是根據運轉速度和柴油機輸出功率而決定，並依靠變扭器的充排油過程來自動完成換檔。
911型柴油機車採用全動軸配置的B-B-B軸配置，機車走行部為三台無搖枕結構的二軸轉向架，包括兩台DT8001型兩端轉向架、一台DT8002型中間轉向架。兩端轉向架和中間轉向架的區別在於橫移裝置，中間轉向架通過旁承彈簧和車體之間的橫移裝置，使其在通過曲線時可以產生相對於車體中心線一定程度的橫向位移。
轉向架的固定軸距為2200毫米，採用鋼板焊接成箱型結構的「H」字形構架，側梁中部焊有二系彈簧的支承框架。一次懸吊為軸箱兩側的捲簧。二系旁承懸掛為構架外側每側兩個並聯的螺旋圓彈簧組。兩端轉向架並設有垂向油壓減震器，連接在車體底架和二系彈簧支承框架之間。車體重量主要通過旁承彈簧坐落在三台轉向架上，並依靠旁承彈簧的扭斜實現轉向架的橫動和迴轉。構架橫梁上還設有兩個摩擦板減振裝置，除了承受部分車體重量外，並通過其阻尼作用抑制轉向架的蛇行運動。輪對、軸箱、基礎制軔裝置均採用與新幹線0系電聯車的DT200型轉向架相同的結構[2]。輪對採用直徑910毫米的整體輾鋼車輪，車軸軸箱採用導柱式定位結構。基礎制軔裝置採用輪盤制軔裝置，所有車軸的車輪輪心兩側均裝有鑄鐵煞車盤。