В 1955 году было принято решение о проектировании пассажирского тепловоза на базе грузового ТЭ3. В проект ТЭ3 был внесён ряд изменений и в конце 1956 Харьковский завод транспортного машиностроения изготовил первый двухсекционный тепловоз серии — ТЭ7-001.
От ТЭ3 тепловоз отличался передаточным числом тягового редуктора (66:26 вместо 75:17), а от первых серий и конструкцией кабины машиниста. Кабина стала более высокой, светлой и менее звукопроницаемой. Впоследствии она стала использоваться на всех выпускаемых ТЭ3. Изменение передаточного числа позволило увеличить скорость длительного режима с 20 до 25 км/ч при одновременном уменьшении силы тяги. Изначально проектная скорость была определена на уровне 140 км/ч, однако по результатам эксплуатации с целью ограничения воздействия на путь ограничена 100 км/ч.
