Повномасштабне виробництво тепловозів ТЕ3 на Луганському тепловозобудівному заводі (до початку 1960-их становило приблизно півтисячі секцій на рік) досить швидко виникло питання щодо їхньої модернізації.
Рада міністрів СРСР видала постанови № 639 (від 15 липня 1959) і № 743 (від 19 Липня 1960) про розробку проєктів модернізації ТЕ3. Ці проєкти розробляли Харківський завод транспортного машинобудування (ХЗТМ) та Луганський тепловозобудівний завод. Проєкт Харківського заводу був глибокою модернізацією кузова, а точніше взагалі його заміну на цільнонесний, ідентичний кузову перших 2ТЕ10, і створення нової дизель-генераторної установки (див. ТЕ30). На відміну від Харківського, проєкт Луганського заводу передбачав лише незначну переробку кузова тепловоза, зі збереженням його довжини і конструкції (з несною рамою). Проєктне позначення тепловоза було ТЕ20.
1961 Луганський завод випустив дослідний двосекційний тепловоз, який отримав позначення нової серії — ТЕ3Л і повне позначення ТЕ3Л-001. Незважаючи на зовнішню відміну від ТЕ3, новий тепловоз конструктивно був на 80 % з ним уніфікований, зокрема за основними розмірами. На ТЕ3Л була застосована силова установка, яка складалася з дизельного двигуна 6Д100 і тягового генератора ДП-307, виробництва ХЗТМ і ХЕТЗ відповідно. Така ж силова установка була застосована і на тепловозі ТЕ30 Харківського заводу і була на 4200 кг легше силової установки ТЕ3. Але на відміну від ТЕ30, на ТЕ3Л застосували тягові електродвигуни ЕД-104, як на серійних ТЕ10, які мали на цьому тепловозі потужність 258 кВт.
ТЕ3Л-001 спочатку надійшов на Донецьку залізницю, але незабаром його разом з ТЕ3Л-002 направили на Південну залізницю. В 1963—1964 тепловози перевели назад на Донецьку залізницю в локомотивне депо Дебальцеве. Дещо легші, ніж ТЕ3, нові тепловози не показали значних переваг. До того ж Луганський завод у середині 1960-их був зайнятий налагодженням серійного випуску тепловозів 2ТЕ10Л потужністю 2×3000 к. с. які мали такі ж кузови, що й ТЕ3Л.
Дослідні тепловози ТЕ3Л 1968 були виключені з інвентарного парку.
Раков В. А. Опытные тепловозы ТЭ30-001, ТЭ3Л-001 и ТЭ3Л-002 // Локомотивы отечественных железных дорог 1956—1975. — Москва : Транспорт, 1999. — С. 156—158. — ISBN 5-277-02012-7.(рос.)
Прапорець вказує країну виготовлення. В дужках подано роки виготовлення. Курсивом вказано дослідні тепловози. Жирним виділено маневрові тепловози. Ширина колії: 1 — 750 мм, 2 — 1000 мм 3 — 1067 мм, 4 — 1435 мм.