В 1987-1988 годах Коломенский тепловозостроительный завод по заказу МПС СССР изготовил два опытных восьмиосных локомотива, получивших обозначение ТЭП80 и рассчитанных на вождение пассажирских составов с максимальной скоростью 160 км в час. 

Заказывая Коломне односекционный восьмиосный локомотив мощностью 6000 л.с., МПС СССР руководствовалось тем фактом, что широко эксплуатировавшиеся в то время тепловозы ТЭП60 мощностью 3000 л.с. на определённых полигонах не могли выдать требуемые тяговые и скоростные характеристики. Двухсекционный вариант 2ТЭП60 мог расцениваться как временное решение, поскольку применение таких тепловозов увеличивало эксплуатационные расходы. В 1975 году Коломна построила шестиосный односекционный тепловоз ТЭП75, равный по мощности локомотиву 2ТЭП60. Однако в ходе испытаний специалисты пришли к выводу о необходимости пересмотра основных технических характеристик пассажирских тепловозов большой мощности и переходу от шестиосного экипажа к восьмиосному. 

Как сказал главный конструктор по локомотивостроению Коломенского завода Анатолий Подопросветов, ТЭП80 обогнал время. 

Этот локомотив был оснащён самым мощным советским тепловозным дизелем, который к тому же был самым форсированным. Например, при таком же, как у тепловоза ТЭП70, удельном расходе топлива, с одного литра рабочего объёма удавалось получить больше лошадиных сил. Кроме того, ТЭП80 стал самым первым советским локомотивом, имевшим высокотемпературное охлаждение, что позволяло сэкономить собственный вес локомотива за счёт уменьшения веса радиаторных секций. 

ТЭП80 был разработан также и с целью проверки и обкатки восьмиосной экипажной части, чтобы потом накопленный опыт использовать при создании скоростного электровоза. 

Созданная для ТЭП80 сочленённая четырёхосная тележка отличалась уникальными свойствами. Испытывавшие тепловоз машинисты рассказывали, что из стакана, наполненного «с верхом» водой, стоящего на пульте управления, при скорости 160 км не выплёскивалось ни капли. Но и эта скорость была для него далеко не предел. 

5 октября 1993 года во время опытных поездок тепловоз ТЭП80-0002 установил мировой рекорд для тепловозов, разогнавшись до 271 км/ч. Этот рекорд не побит до сих пор. 

Новому тепловозу просто не повезло. Его выход на пути МПС совпал по времени с началом тяжелейшего политико-экономического кризиса, растянувшегося на годы и сопровождавшегося спадом перевозок.

Кузов тепловоза цельнонесущий, имеет ферменно-раскосную конструкцию с элементами панельного типа. Крыши съёмные. В них расположены фильтры ЦВС, глушитель, электрический тормоз и охладитель наддувного воздуха. Четырёхосные тележки состоят из общей жёсткой рамы и попарно сбалансированных колёсных пар, имеют двухступенчатое ресорное подвешивание и индивидуальный опорно-рамный привод. Рама тележки с кузовом и колёсные пары с рамой тележки связаны при помощи цилиндрических пружин с включёнными гидравлическими гасителями колебаний. 

На рамках тележек тепловоза установлены тяговые электродвигатели ЭД-121ВУХЛ1 мощностью в 4552 кВт, питающиеся выпрямленным током. На самом тепловозе установлены тяговой генератор переменного тока ГС-519У2 и V-образный четырёхтактный двадцатицилиндровый дизель типа Д49 (20ЧН26/26) мощностью 6000 л.с. с двухступенчатым турбонаддувом и двухкратным охлаждением наддувочного воздуха в вохдушных охладителях. Система охлаждения дизеля принудительная, закрытая (высокотемпературная), двухконтурная, шахтного типа c двухрядным расположением секций и гидростатическим приводом двух вентиляторов. Дизель и генератор вместе представляют собой дизель-генераторный агрегат 2-10 ДГ. 

На тепловозе имеется система подогрева теплоносителей и система автоматичекого регулирования торможением и электропередачей. Также тепловоз оборудован электрическим реостатным тормозом мощностью тормозных резисторов в 4000 кВт. Кроме этого предусмотрена установка систем, основанных на применении микропроцесссорной техники: система диагностики и управления тепловозом (СЦКДУ-Т), система комплексного регулирования и защиты тепловозного дизель-генератора (СКРЗД-1) и система централизованного контроля.