Если для различных размеров узкой колеи этот вопрос решался достаточно просто путем применения тележек с соответствующими колесными парами, то для колеи 1520 мм задача оказалась значительно сложней. Экспериментальный образец тепловоза ТУ7 для колеи 1520 мм имел ряд существенных недостатков, затруднявших его эксплуатацию. Недостаточная ширина кабины резко ухудшала машинисту обзор пути, особенно при движении назад с прицепленными со стороны кабины вагонами; диаметр колес 600 мм плохо согласовывался с высотой автосцепки; неприемлемы были также величина колесной базы тележек и расстояние между шкворнями. Требовалась замена не только тележек, но и кузова тепловоза, включая кабину машиниста и раму.

Конструкторы завода под руководством В. А. Манохина внесли значительные изменения в проект тепловоза ТУ7, увеличив диаметр колес с 600 до 950 мм, базу тележек с 1400 до 1875 мм и расстояние между шкворнями с 4700 до 5000 мм; увеличилась и общая длина тепловоза по осям автосцепки с 9400 до 11290 мм. Было принято другое передаточное число осевых редукторов.

В 1981 г. Камбарский машиностроительный завод изготовил два опытных тепловоза, которые первоначально получили обозначение ТУ7М, а затем ТГМ40. С 1982 г. завод начал серийный выпуск тепловозов ТГМ40.

Кузов тепловоза капотного типа имеет раму сварной конструкции. На раме установлены дизель, гидропередача, вспомогательные машины и оборудование. Капот над машинным помещением выполнен со съемными частями для выемки дизеля. В передней части капота установлен холодильник для охлаждения воды и масла, с противоположной стороны - кабина машиниста с двумя постами управления (пультами), которые позволяют машинисту выбирать более удобное для работы место в зависимости от направления движения и расположения вагонов по отношению к локомотиву.

Рама кузова опирается на рамы двух двухосных тележек; для этого на каждой тележке имеются четыре скользящие опоры, расположенные по окружности, центром которой является геометрическая ось шкворня. Через шкворни передаются на кузов от тележек тяговые и тормозные усилия.

Рамы тележек сварные; буксы челюстного типа с роликовыми подшипниками. Вертикальные силы на буксы передаются от рам тележек через цилиндрические пружины, нижние концы которых опираются на балансиры, подвешенные средними частями к нижним приливам корпусов букс. Колеса цельнокатаные, нажатие тормозных колодок на колеса одностороннее; сжатый воздух в тормозные цилиндры поступает через прямодействующий кран или от воздухораспределителя, управляемого краном машиниста.

На тепловозе установлен быстроходный двенадцатицилиндровый дизель 1Д12-400Б (12ЧН 15/18), развивающий при частоте вращения вала 1600 об/мин мощность 400 л.с. Ранее такие дизели начали применяться на тепловозах ТГМ23В и узкоколейных тепловозах ТУ7. Управление работой дизеля осуществляется восьмипозиционным контроллером с помощью электропневматического привода. Вращающий момент от дизеля к колесным парам передается через унифицированную гидропередачу Калужского машиностроительного завода УГП-400-650, которая содержит два гидротрансформатора (пусковой и маршевый), обеспечивающие две ступени скорости (такая гидропередача, получившая обозначение УГП-400/201, применялась ранее на тепловозах ТУ7).

На тепловозе установлен стартер СТ-722 (11 кВт, 24 В), свинцовая аккумуляторная батарея 6СТ-32ЭМС (300 А-ч, 24 В), два двухцилиндровых компрессора ВВ-0,7/8 производительностью по 0,8 м3/мин сжатого воздуха при частоте вращения вала 720 об/мин и генератор Г-732А.

Служебная масса тепловоза 34 т +-3 %, с балластом - 40 т +-3 %. Для тепловоза массой 34 т сила тяги длительного режима при скорости 6,4 км/ч составляет 9700 кгс), массой 40 т при скорости 4 км/ч - 11800 кгс. Конструкционная скорость тепловоза 40 км/ч, минимальный радиус проходимых кривых 40 м. Запас топлива на тепловозе 1000 кг, песка 700 кг, воды 125 кг, масла дизеля 90 кг, масла гидропередачи 135 кг. Тепловоз ТГМ40 может выпускаться с оборудованием, позволяющим работать по системе многих единиц.

К середине 1985 г. завод изготовил более 100 тепловозов ТГМ40. Этот локомотив в 1985 г. был отмечен золотой медалью на Лейпцигской ярмарке.

С целью совершенствования экипажной части и улучшения ходовых качеств тепловоз ТГМ40-0001 испытывался ВНИТИ совместно с Камбарским заводом при участии ЦНИИМЭ. В ходе испытаний решался, в частности, вопрос о применении гасителей колебаний.