Около 70 тепловозов, прошедшие капитальный ремонт с заменой дизеля на Воронежском тепловозоремонтном заводе, получили название 2ТЭ116К .

На этом же заводе прошел глубокую модернизацию еще один тепловоз, обозначенный как 2ТЭ116КМ.
Была увеличена мощность дизелей, установлена микропроцессорная система управления. Проверенные на данном тепловозе наработки были использованы в программе 2ТЭ25К.
В июне 2011 г. капитально отремонтированный тепловоз 2ТЭ116 1984 года выпуска передан с Воронежского тепловозоремонтного завода в эксплуатационное депо Ртищево Мичуринского региона ЮВЖД. Восстановление тепловоза произведено в рамках пилотного проекта ОАО "Желдорреммаш" по капитальному ремонту тепловозов 2ТЭ116. На ремонт локомотива, который проводился с применением новых технологий, было затрачено около 44 млн. рублей, что в два с половиной раза больше чем обычно. Аналогичный новый тепловоз стоит от 115 до 135 млн. руб., а в данном случае машина приведена к показателям завода-изготовителя всего за треть этой суммы. Отремонтированный локомотив по своим техническим показателям практически соответствует новому.
Согласно проекту, после заводского капитального ремонта у локомотива увеличивается эксплуатационная надежность, и машина может работать без технического обслуживания в течение месяца, вместо регулярных осмотров каждые трое суток.