Da die V 2000 den steigenden Zuggewichten nicht gewachsen war, entstand die V 2001 mit stärkeren Motoren. Vom Grundaufbau entsprach sie der Vorgängerin, die Motoren leisteten hier jedoch je 1.350 statt 1.100 PS. Man beschränkte sich nun auf nur noch einen Motor- und einen Getriebetyp. Da die Motoren nun schwerer waren und die Radsätze verstärkt werden mussten, wurden zum Einhalten des Gewichts an einigen Stellen Leichtbaustoffe und ein kleinerer Zugheizkessel verwendet.
Die Führerstände wurden gemäß dem Stand der Technik angepasst, so dass die Fahrstufen nun über ein Handrad statt eine Kurbel angewählt werden konnten. Von 50 produzierten Loks erhielten die letzten 30 einige Verbesserungen. Diese betrafen den Kühlkreislauf, Schalldämpfer, Schleuderschutz und die Sifa. Da der Motor MB 12 V 652 TZ sich als nicht sehr standfest herausstellte, wurde in späteren Loks die Variante TA mit Kolbenkühlung statt Kolbenbodenkühlung verwendet.
Die V 2001 kam hauptsächlich auf der Allgäubahn, im Schwarzwald, auf der Vogelfluglinie von Hamburg nach Dänemark und auf der Strecke zwischen Hamburg und Osnabrück zum Einsatz. Zeitweise musste die Höchstgeschwindigkeit von 140 auf 120 km/h reduziert werden, da die Drehgestelle zum Aufschaukeln neigten. Der Einsatz vor Personenzügen endete um 1975, da die Personenwagen mit Dampfheizung verschwanden.
Somit wanderten die Loks in den Güterzugdienst, wo sie sich bald im Ruhrgebiet konzentrierten. Dabei entstanden immer mehr Schäden durch den Leichtbau, weil sie für leichtere Schnellzüge ausgelegt waren. Nachdem der Güterzugverkehr im Ruhrgebiet rückläufig war und die beiden Motoren zu kostspielig im Unterhalt waren, erfolgte die Ausmusterung bis 1988.
Wie schon bei der V 2000, wurden viele Loks am Ende ihrer Dienstzeit bei der Bundesbahn ins Ausland verkauft. Ganze 20 Stück wurden in Deutschland oder Italien aufgearbeitet und dann an die griechische OSE verkauft. diese Loks kehrten 2002 zur Prignitzer Eisenbahn nach Deutschland zurück. Fünf Loks waren an die Albanische Staatsbahn HSH verkauft worden, wo vier Stück 2004 verschrottet wurden und die letzte erst 2017 nach einigen Jahren Stillstand. Heute existieren noch zwölf einsatzbereite V 2001, die zum größten Teil bei Privatbahnen noch im Einsatz sind.