Муромский завод им. Ф. Э. Дзержинского в 1960 г. построил трехосный тепловоз ТГМ23, имеющий много конструктивных отличий от тепловозов ТГМ1. У нового тепловоза сохранены кузов капотного типа, листовая рама, колеса диаметром 1050 мм, а шатунный привод от отбойного вала расположен между колесными парами.
На тепловозе установлен двенадцатицилиндровый четырехтактный V-образный дизель 1Д12Н-500 с газотурбинным наддувом; дизель имеет такие же размеры цилиндров и ход поршня, как и на тепловозе ТГМ21, но его мощность при скорости вращения вала 1500 об/мин составляет 500 л. с. Дизель весит 1 800 кг.
Тепловоз в служебном состоянии весит без балласта 39 тс, с балластом — 44 тс.
Кузов тепловоза выполнен в виде двух капотов и расположенной между ними кабиной машиниста. Рама тепловоза изготовлена из стальных листов толщиной 25 мм, листы связаны концевыми стяжными ящиками и поперечными креплениями. Буксы имеют по Два конических роликовых подшипника. Рама опирается через десятилистовые рессоры; рессорное подвешивание индивидуальное (нет имеющихся у тепловозов ТГМ1 балансиров). Колесные пары бандажного типа с противовесами и пальцами для спарников. Диаметр новых колес 1050 мм. Отбойный вал в отличие от тепловозов ТГМ1 расположен между первой и второй колесными парами. Торможение одностороннее, имеется только один тормозной цилиндр. Длина тепловоза по осям автосцепок 8920 мм, общая колесная база 3600 мм.
В процессе выпуска тепловозов вводились отдельные изменения узлов. Начиная с 1969 г. несколько изменен тракт выпускных газов и в связи с этим снят кожух глушителя с верхней части переднего капота. Некоторое время на тепловозы ставили девятилистовые рессоры, а затем в 1970 г. вновь вернулись к десятилистовым. С 1972 г. на тепловозах начали ставить двухцилиндровые компрессоры ПК-17М, имеющие производительность при частоте вращения вала 1450 об/мин 1,75 м3/мин. С тепловоза №170 пара зубчатых колес 45:67 с модулем 6 заменена на пару колес 39:57 с модулем 7 мм; с тепловоза №215 колеса повышающего редуктора с передаточным отношением 72:52 заменены парой 70:54.

Тепловоз ТГМ23А
После установки на тепловозе более совершенного дизеля 1Д12Н-500М (повышение давления наддува и ряд изменений в конструкции по сравнению с дизелем 1Д12Н-500), изменений гидропередачи (два гидроаппарата вместо трех) и реверс-режимного механизма новой конструкции, внедрение которых началось еще в 1971 г. на серийных тепловозах ТГМ23, новая разновидность тепловоза получила наименование ТГМ23А. Дизель 1Д12Н-500М предварительно испытывался на тепловозе ТГМ23-666. Серийное производство тепловозов ТГМ23А началось с конца 1973 г.

Тепловозы ТГМ23Б
По требованию заказчиков, взяв за основу механическую часть тепловоза ТГМ23, Муромский тепловозостроительный завод спроектировал и в 1973 г. построил первый тепловоз ТГМ23Б. Его главным отличием от тепловоза ТГМ23 было применение менее мощного дизеля без наддува. Дизель 1Д12-400 (12Ч15/18) с номинальной мощностью 400 л.с. при частоте вращения вала 1600 об/мин ранее устанавливался на тепловозах ТГМ1 Муромского завода. Дизель V-образный, двенадцатицилиндровый; диаметр цилиндров 150 мм, ход поршня с главным шатуном 180 мм, с прицепным — 186,7 мм; минимальная частота вращения вала 500 об/мин, расход топлива при номинальной мощности 168 г/(э.л.с- ч); масса двигателя 1750 кг.
На тепловозах ТГМ23Б сделано более мягкое рессорное подвешивание с восемнадцатью листовыми рессорами; использована система охлаждения с водомасляным теплообменником; вентилятор холодильника расположен вертикально и приводится через гидравлическую муфту; установлен компрессор ПК-35М производительностью 3,4 м3/мин. В то же время на тепловозе остались без изменения гидропередача (УГП-35-500), тормозная система, запасы топлива и песка.
Длительная сила тяги тепловоза ТГМ23Б при скорости 6 км/ч (маневровый режим) 10200 кгс, при скорости 12 км/ч (поездной режим) 5100 кгс; максимальная скорость 30 км/ч при маневровом и 60 км/ч при поездном режимах. Служебная масса тепловоза, включая 8,8 т балласта, 44 т, запас воды дизеля 90 кг, масла дизеля 90 кг, масла гидропередачи 220 кг. Тепловозы ТГМ23Б Муромский завод строил по 1985 г. включительно.

Тепловозы ТГМ23В
С 1980 г. Муромский тепловозостроительный завод начал строить тепловозы ТГМ23В с несколько измененной конструкцией дизеля. На тепловозе применены дизель 1Д12-400Б, генератор Г-732В и аккумуляторная батарея 6СТ-132ЭМС. Гидропередача, компрессор (ПК-35М), стартер (СТ-722) остались без изменения. Сохранены масса тепловоза (44 т), расположение оборудования, основные размеры механической части; практически не изменились тяговые параметры локомотива: длительная сила тяги при скорости 6,5 км/ч 11000 кгс, при скорости 13 км/ч — 5500 кгс. Минимальный радиус проходимых тепловозом кривых 40 м.
Тепловозы ТГМ23В завод строил в течение всей 11-й пятилетки и продолжал их выпуск и в последующие годы. В 1985 г. завод изготовил опытный тепловоз ТГМ23В с гидропередачей, имеющей два гидротрансформатора (пусковой и маршевый) с общим турбинным валом.
Тепловоз ТГМ23В48 отличается от ТГМ23В увеличенной до 48т служебной массой.

Тепловозы ТГМ23Д
Последняя модификация ТГМ23 получила обозначение ТГМ23Д44 (служебная масса 44т) и ТГМ23Д48 (служебная масса 48т). Отличается модернизированной гидропередачей и кабиной машиниста.

Всего построено более 8500 тепловозов ТГМ23 различных модификаций.