1975年底，唐山厂、大连厂成功试制了第一台8气缸的8240Z型柴油机，并通过了各种性能试验和100小时可靠性试验；8240Z型柴油机实际上是在16V240ZJ型基础上减少气缸数量的衍生机型，装车功率1650马力。1976年1月，唐山厂试制了第一台东风5型柴油机车（0001）。东风5型机车是东风4型柴油机车的系列产品，除了柴油机、车体以外其他电气系统、转向架等主要部件尽量与东风4型机车保持通用。这台机车随后配属北京铁路局北京内燃机务段试用，在丰台西站调车场进行运用试验，为进一步改进与提高机车的性能和可靠性提供试验数据。
正当东风5型柴油机车开始投入小批量生产的时候，1976年7月28日凌晨发生了震惊中外的唐山大地震。地震前一天晚上，第二台东风5型机车（0002）已经完成组装，准备之后前往京山铁路试运行 。而地震发生时，唐山机车车辆厂正正位处震中，厂房绝大部分全部被夷为平地，超过1700名职工遇难。在当时极其困难的条件下，唐山机车车辆工厂职工冒着余震的危险、积极抗震复产，震后仅仅不到两个月，第二台东风5型机车于1976年9月出厂，成为唐山厂在抗震复产中修复的第一台机车，取名为“抗震号”。抗震号机车的诞生，在当时标志着唐山工人百折不挠的意志和顽强不屈的抗震精神 。1976年底至1979年间，唐山厂在一片废墟上搭起临时简易工棚内，使用地震后修复的机械设备又生产了25台东风5型机车，这批早期的东风5型机车一直被称为抗震号，或抗震型。至1981年，唐山机车车辆厂累计生产32台东风5型柴油机车。 由于首批东风5型机车是在唐山大地震后初期生产，机车主要零部件的加工质量相对较差，且机车的低负荷性能、柴油机与增压器的配套性能等方面仍然存在问题，为了进一步改进东风5型机车，经铁道部统一安排，唐山厂停产东风5型机车后，由大连机车车辆厂对东风5型机车和8240Z型柴油机重新改进设计。大连厂于1983年在8240Z型V型柴油机基础上，重新设计了8缸直列式的8240ZJ型柴油机，其性能与8240Z型相同；1984年9月，一台由大连厂试制的东风5型机车（1001）出厂，这台机车经过一系列性能试验后，交付济南铁路局济南机务段投入运用考核。经过重新设计后，新的东风5型机车不但消除了原型机车振动大等缺点，而且其起动牵引力和持续牵引力也有较大提高。
根据铁道部工业局的安排，经过改进的东风5型柴油机车于1984年交由青岛四方机车车辆厂正式投入批量生产 。按四方厂的工艺特点，其生产的8240ZJ型柴油机为采用整体铸造机体和合金钢曲轴，提高了柴油机的可靠性和耐久性。东风5型机车曾于1988年获铁道部科技进步奖，1989年获国家科技进步二等奖，1991年获铁道部优质产品称号。
自1985年四方厂开始生产8240ZJ型柴油机以来，先后解决了烧瓦、机油压力低、回手柄停车、机油泵烧套、水泵漏水、增压器不可靠等惯性质量问题。自1992年起，四方厂开始进行8240ZJ型柴油机提高经济性和可靠性的改进，就提升功率、改进部分工况经济性和提高可靠性等方面进行了研究，先后研制了经过强化的8240ZJC型、8240ZJD型柴油机，以及采用双径流增压的8240ZJS型柴油机。装用8240ZJC型柴油机的东风5型机车由1994年开始试验、生产，累计生产了251台（1701～1951），柴油机装车功率提高到1320千瓦。
1989年，四方厂根据铁道部要求，研制了东风5型口岸型机车，用于中国与苏联接壤边境地区的口岸过境铁路运输，至今共生产了26台（4001～4011；5001～5015），其中4001～4011号机车为1524毫米轨距的宽轨机车，5001～5015号机车为1435毫米轨距的准轨机车。这些口岸型机车主要配属乌鲁木齐铁路局乌鲁木齐机务段（阿拉山口口岸）、呼和浩特铁路局集宁机务段（二连浩特口岸）、哈尔滨铁路局牡丹江机务段（绥芬河口岸）等。
2001年，由四方机车车辆厂对东风5型机车进行技术改进，研制了东风5改进型机车，解决了原东风5型机车存在的惯性质量问题，提高机车的通用化、系列化、模块化、标准化的程度，在零部件与生产工艺等方面进行改进，提高可靠性。东风5改进型机车仍然装用8240ZJC型柴油机，采用标准化司机室、无级调速装置、PLC控制装置、微机控制装置、交流辅助电机等技术。机车最高速度100公里/小时，持续速度21.6公里/小时，起动牵引力435千牛，持续牵引力324千牛。至2006年，东风5改进型机车由四方厂累计生产132台（1952～2083）。
截止2006年，唐山机车车辆厂、大连机车车辆厂、四方机车车辆厂累计生产了超过1100台东风5型机车。
另有部分东风5型机车经过整修后援助朝鲜。在朝鲜铁路系统中，这些机车编号为내연1xx(Naeyŏn 1xx；内燃 1××)。
