При создании нового маневрового четырехосного локомотива конструкторами СТМ учитывались технические требования как предприятий нефтегазовой и металлургической промышленности, так и предприятий промышленного железнодорожного транспорта.
Экономия затрат по сравнению с классической схемой с одним дизельным двигателем заявлена на уровне 20%. На тепловозе применена электрическая передача переменно-постоянного тока.
Весной 2020 года новый локомотив прошел испытания на обкаточном кольце Людиновского тепловозостроительного завода (ЛТЗ), которые подтвердили соответствие конструктивных решений требованиям Технического регламента Таможенного союза, а в июне начаты приемочные и сертификационные испытания тепловоза.
По состоянию на январь 2023 года известно о постройке как минимум 15 машин ТЭМ10, с порядковыми номерами от 001 до 015 включительно.
При проектировании тепловоза специалисты СТМ взяли за основу модульный принцип компоновки, при котором тепловоз представляет собой набор взаимосвязанных модулей, установленных на общую основу. Каждый модуль выполняет назначенную ему функцию (силовая установка, тормозное оборудование, охлаждение двигателей, преобразователь собственных нужд, кабина, охлаждение ТЭД, коммутационное оборудование). При этом характеристики и функциональность систем тепловоза могут изменяться путем модификации модулей: можно устанавливать агрегаты желаемых производителей, дизель необходимой мощности и т.д.
Основой для нового тепловоза служит рама, установленная на две двухосные тележки. Колесная формула 2О–2О (две двухосные тележки с ведущими осями) позволяет тепловозу проходить кривые с радиусом от 50 м, что важно для работы на путях промышленных предприятий в условиях заводской застройки. Экипажная часть локомотива позаимствована у серийно выпускаемого тепловоза ТЭМ9.
Кабина тепловоза тоже реализована как самостоятельный модуль. В ней установлено два пульта машиниста, что позволяет равноценно управлять движением локомотива в обе стороны. Для обеспечения комфорта машиниста кабина оборудована кондиционером.