1970年代初期,为了满足苏联铁路客运的发展需要,科厂按照苏联交通部的要求,先后开发研制了TEP70、TEP75型快速客运内燃机车。其中TEP70型机车是苏联第一种单机功率达到4000马力并投入批量生产的内燃机车,而TEP75型机车也是苏联第一种单机功率6000马力的客运内燃机车。
由于同时要研制功率等级分别为4000马力和6000马力、持续牵引力分别为167千牛和176千牛、构造速度均为160公里/小时的两种六轴客运内燃机车,两者在结构上均具有最大程度的统一化。然而,由于TEP75型机车装用一台20气缸的1D49型柴油机,轴重达到24.5吨,高速运行时轮轨作用力过大,因而未批准投入批量生产。
至1980年代,苏联铁路旅客运输量持续快速增长,仅在第十一个五年计划(1981年—1985年)期间铁路客运量增长已达到9.3%。为了提高铁路的通过能力,苏联铁道部决定在主要干线上采取扩大旅客列车编组的措施,逐步将旅客列车的车厢数量提高到22~24辆,并计划将进一步提高到30~32辆。
1985年,苏联铁路有180趟旅客列车扩编为20~24辆,并于1986年在莫斯科往克里米亚、高加索地区方向的铁路上进行32辆大编组客车的试运行。为此,苏联铁路需要研制一种持续牵引力达到24000公斤、构造速度为160公里/小时、轴重不大于22.5吨、功率等级为6000马力的快速客运内燃机车。
由于当时世界上还未曾出现过这种类型的大功率客运机车,所以这是一项全新的课题。1980年代中期,科厂在总工程师Yu·V·赫列勃尼科夫的领导下,开始研制新一代的TEP80型内燃机车。
研制TEP80型内燃机车的最大挑战,是使其轴重不得大于22.5吨。科厂因此决定采用八轴的走行部,并开发了一种新颖的均衡梁式四轴转向架,以将车体重量平均分配在八根车轴上。这种转向架不论是高速运行于直线区段还是曲线区段,均能保证具有优良的运行品质和动力学性能。TEP80型机车也大量应用了TEP70、TEP75型机车在设计、运用、试验及改进过程中获得的经验和成果。机车的动力装置为一台1D49型四冲程柴油机,并采用了交—直流电力传动系统、大功率电阻制动装置及微机控制系统。