为了配合中国铁路大提速的发展战略、提高铁路客运的市场竞争力，戚墅堰机车车辆厂、南京浦镇车辆厂和上海铁路局于1999年成功研制了NZJ1型“新曙光”号准高速柴油动车组，同年10月起投入沪宁铁路、沪杭铁路营运，创造了不俗的经济效益。
借鉴了上海铁路局的成功经验，北京铁路局通过对局管内铁路干线繁忙区段客运情况的分析，决定在北京和天津之间开行准高速内燃动车组。1999年末，北京铁路局与大连机车车辆厂、长春客车厂、四方机车车辆厂签订了列车的技术规范和购销合同，以自筹资金方式采购5组“二动十拖”双层内燃动车组，其中4组用于日常运用，其余1组动力车为后备。每组列车由2辆动力车、10辆双层客车拖车编组而成，其中动力车由大连厂研制，拖车分别由长客厂、四方厂研制，设计最高运行速度为180 km/h。
2000年1月，大连厂、长客厂、四方厂分别开始机车车辆的施工设计。2000年7月28日，大连厂完成试制首两台动力车（0001A、0001B），并在工厂内与长春客车厂生产的首批10辆双层客车完成编组。经中华人民共和国铁道部批准，列车正式被定型为NZJ2型，其中“N”代表内燃动车组、“Z”代表直流电动机、“J”代表动力集中方式、“2”代表第二种型号；同时，列车并由北京铁路局冠名为“神州号”。
神州号列车有1辆双层软座车、9辆双层硬座车（其中1辆带有播音室、1辆带有列车长座席、3辆带有小卖部），软座车采用“2+2”座席布置，硬座车采用“3+2”座席布置，每节车厢均设有配电室、乘务员室、电茶炉和蓄电池室各1个，蹲式便器（或坐式马桶）厕所和敞开式洗脸间各2个。车辆采用了电控气动塞拉门、真空集便装置、全球卫星定位系统。各车厢之间采用密接式车钩和折棚风挡连接。
2001年12月上旬，“神州”号柴油动车被编组为“二动四拖”进行冲高试验，最高运行速度达到210.7km/h，期间并对线路路基、桥梁、无碴轨道和提速道岔等设备进行了相关测试。
2007年4月18日，中国铁路实施第六次大提速，京津城际列车逐步更换为CRH2A型和谐号动车组，部分原由神州号担当的城际列车停运。2007年4月至7月期间，因新的和谐号动车组运能不足，这段时间内仍然由神州号担当部分城际列车，包括北京西至天津北、泰达的临时列车。至2007年7月24日起，随着和谐号动车组逐步实现重联运行，神州号全面退出京津城际特快。
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