为实现专运内燃机车的更新换代，2001年5月铁道部给戚墅堰厂下达了在东风11型准高速客运内燃机车的基础上，研制东风11Z型专运内燃机车的任务。6月15日通过了铁道部运输局装备部主持的机车方案设计评审，又于7月19日通过机车技术设计评审，并于8月16日下达机车设计任务书。戚厂根据设计任务书的各项要求，将可靠性放在首位，同时尽量采用东风11型机车的成熟技术和成熟部件，关键部件采用进口部件，于2001年10月中旬完成施工设计，10月开始生产，12月至2002年2月间完成总装，2月-3月间完成水阻、厂线、正线运行等常规实验，3月底机车通过验收，交付北京铁路局运用考核。
机车由两节机车重联牵引。每节机车只设一个司机室，取消机车II端的的司机室而改为辅助室。两节机车间设有通过台，并在两节机车对接处采用胶囊式密封风挡连接。
至2003年3月，三组专运机车全部交付使用。2006年5月24日，戚墅堰厂研制生产的DF11Z型专运内燃机车通过由南车集团组织的科技成果审定。目前DF11Z型机车，共计5组，车号0001A、B~0005A、B。
因研发初期，其某些部件可靠性尚无法超过专运处原有的德制NY6机车，该车在配属运用单位的早期仅遂行一般客运任务，少数情况下遂行专运任务。现因DF11Z0001-0004机车均已完成试轴里程，全部四组DF11Z机车已经可以正式遂行专运任务。DF11Z0005于2015年出厂，现在仍在环铁。
目前DF11Z机车运行在北京-秦皇岛线路上。Y509次旅游列车，或T5687次特快列车（二者必有一列本务是它）
机车配属：中国铁路总公司专运处 机车总体布置分为上、下两部分。上部车体由5道间壁将车体分隔成6个室，从前到后依次为司机室、电气室、电机室、动力室、冷却室、辅助室；下部两端为转向架，车架下部中央吊装着燃油箱，燃油箱两侧装有蓄电池组，燃油箱前后端装有总风缸。
司机室内装饰参照新曙光号内燃动车司机室设计。操纵台上安置了全部驾驶和信息控制设备。左侧为正司机操作台，右侧为副司机操作台，正司机侧布置有自动制动阀、控制手柄、换向手柄、控制开关、按钮、微机显示屏、速度监控装置显示仪等设备。各开关、控制手柄按照专运机车要求布置。前窗采用电热防弹玻璃。前窗下部设有刮雨器（带有玻璃洗涤装置）以及标志灯。侧窗采用铝合金框，上下移动结构。两侧窗下部设有电取暖器。司机室两侧设有直通车外的门，后间壁左右两侧设有通向车体各室的内门，间壁内安装有紧急制动阀、灭火装置、空调控制盒等设施，间壁上下还装有空调和电暖器，以调节室内的温度。室内四周壁充填高阻尼吸声材料，外覆装饰板，使其形成一个隔声、隔热的密封空间，以保证司机室内噪音符合GB3450-1982规定的要求。顶部设有天花板，其上有照明灯和电风扇。
电气室左侧设低压电器柜，右侧设置高压电器柜，前车顶间壁左侧设有空调电源。
电机室前部左侧设有主硅整流柜，下方设供整流柜、牵引发电机冷却的通风机；前部右侧设微机柜，下方设供前转向架牵引电动机冷却以及高低压电器柜正压通风的通风机。后部设有前变速箱、起动发电机、感应子励磁机、测速发电机以及励磁整流柜。前变速箱上方设有2个电阻制动装置。前间壁中部设有进入电气室的活动门。
动力室设有柴油发电机组。柴油机发电机组左侧设有两组燃油输送泵、燃油粗滤器，右侧设有燃油预热器、辅助燃油泵等。再骑左右两侧壁上设有增压空气滤清器和车体通风机。后间壁上为膨胀水箱、下部为测量仪表。
冷却室上部为V形的冷却装置，装有48组双流道铜散热器、夹角内装2台冷却风扇。V形架底部设有2台静液压系统用的油-空气散热器。室内中间从前往后依次为后变速箱、供后转向架牵引电动机冷却的通风机、空气压缩机-电机组。其左侧上部设有机油热交换器、右侧设有化纤机油滤清器、起动机油泵。前间壁V形架下部两侧各设一只静液压传动油箱。后间壁下部设有复轨器。
辅助室内设有预热锅炉、辅助柴油发电机组。辅助柴油发电机组上方设有生活柜，柜内设有冰柜、微波炉、预热锅炉控制箱以及工具箱。前间壁右侧上部设有空气干燥器，右侧下部设有制动阀类安装柜。后间壁左侧设有通向车顶的扶梯。右侧设有整流电源。在左后角上设有电热开水器。在右后角上设有手制动装置，其上设有挂衣柜。 机车装用16V280ZJA型柴油机，16缸，V型排列，50度夹角，缸径为280mm，活塞行程为285mm，四冲程，直接喷射式，开放燃烧室，废气涡轮增压，增压空气中间冷却高增压的大功率柴油机。标定功率3860KW，标定转速1000r/min，在标定工况下的燃油消耗率为208g/(kWh)，最大运用功率为3610kW。机体采用QT500-7球墨铸铁整体铸造；曲轴采用42CrMo合金钢锻坯，全纤维挤压成形；采用钢顶铝裙组合活塞、机油振荡冷却方式；并列连杆为42CrMo合金钢；湿式汽缸套，由硼合金铸铁浇铸。汽缸盖采用4个螺栓紧固结构。采用高喷射压力的单体式喷油泵、多孔闭式喷油器和美国Woodward进口的PGEV调速器。齿轮传动机构用于驱动凸轮轴、高温水泵、中冷水泵、机油泵、调速器、超速停车装置和柴油机转速表的部件。左右两根凸轮轴分别驱动左右两排气缸的进、排气门和单体式喷油泵。
柴油机与牵引发电机的外壳通过连接箱连成一体。曲轴输出端法兰与联轴节用螺栓连接，联轴节再带动同步发电机转子轴。牵引发电机输出轴通过万向轴带动前变速箱；柴油机自由端曲轴齿轮和卷簧减振器与曲轴连接。柴油机自由端曲轴通过橡胶弹性联轴节和万向轴带动后变速箱。
柴油机采用VTC254-13型涡轮增压器，是从瑞士ABB公司进口。采用内置式轴承结构，压气机为单级离心式，涡轮为单级轴流式，允许工作转速达到28260r/min。采用管片铜中冷器。 空气制动系统，采用单端操纵的JZ-7型空气制动机。除没有电空制动功能外，其余与东风11G型机车相同。风源系统采用德国克诺尔公司的W450-4型空气压缩机1台及LTZ3.2H型空气干燥器。
