С 1981 по 1990 год Ворошиловградский завод изготовил 2444 двухсекционных тепловоза серии 2ТЭ10М и 639 трёхсекционных тепловоза серии 3ТЭ10М, являвшихся дальнейшей модернизацией 2ТЭ10В.
Основные отличия тепловозов серии 2ТЭ10М и 3ТЭ10М от тепловозов предыдущих серий 2ТЭ10В и 2ТЭ10Л: 1) возможность управления тремя секциями тепловоза с одного пульта;
2) возможность переводить одну или две ведомые секции в режим холостого хода;
3) увеличено число приборов на пульте управления. Сигнальные лампы на крайних секциях смонтированы на отдельных табло;
4) в цепях управления увеличено число цепочек диод-резистор для исключения перенапряжения при выключении цепей;
5) электрическое управление отпуском тормозов;
6) наличие цепей управления, управляющих адсорбционным осушением сжатого воздуха, поступающего в главные резервуары;
7) три розетки межсекционных соединений;
8) измененная конструкция штепсельных разъемов между АКБ некоторых секций;
9) минусовые штепсельные разъемы в аппаратных камерах и на пульте управления для облегчения поиска неисправностей в схеме;
10) переговорное устройство между кабинами секций;
Средняя секция оборудовалась только пультом для маневровых работ и вспомогательным тормозом и не использовалась отдельно для вождения поездов.

В 1981 году завод выпустил партию из 20 локомотивов серии 2ТЭ10МК, отличавшихся тем, что на них устанавливались дизели 5Д49 Коломенского тепловозостроительного завода (как и на тепловозах 2ТЭ116) вместо дизелей 10Д100, использовавшихся на остальных тепловозах серии ТЭ10.
Ряд тепловозов серий 2ТЭ10М и 2ТЭ10МК в дальнейшем переоборудовались в трёхсекционные варианты 3ТЭ10М и 3ТЭ10МК.
Все три тепловоза в народе называются «боингом» (из-за сильного рёва двигателей при отправке и большого обилия дыма)