內燃機車的動力裝置也叫壓燃式內燃機。主要結構特征包括缸數、氣缸排列、氣缸直徑、活塞行程、增壓與否等。現代機車使用的柴油機都裝有廢氣渦輪增壓器，這樣柴油機的廢氣就可以用來驅動渦輪壓縮機，增壓後的空氣經過中冷器冷卻後送入柴油機的進氣管，從而大大提高了柴油機的功率和熱效率。柴油機有兩種工作方式:四沖程和二沖程。同轉速的四沖程發動機熱效率壹般比二沖程高，所以多采用四沖程。從轉速來說，可分為高速機(1500r/min左右)、中速機(1000r/min)和低速機(中速機轉速以下)。為了滿足各種功率的需要，生產出了相同缸徑、不同活塞缸數的產品。6缸、8缸直列或8缸V型用於小功率，12、16、18和20缸V型用於大功率，其中12和16缸最常用。
燃料在氣缸內燃燒，產生的高溫高壓氣體在氣缸內膨脹，推動活塞往復運動，連桿帶動曲軸旋轉對外做功，燃料的熱能轉化為機械功。柴油發動機產生的動力傳遞到傳動裝置。通過柴油機和傳動裝置的控制和調節，將適合機車運行工況的輸出速度和扭矩送到各車軸齒輪箱驅動動輪，動輪產生的車輪周圍的牽引力傳遞到車架上，車架端部的車鉤變為掛鉤的牽引力來牽引或推動車輛。