世界上最早出現的機車是蒸汽機車，以後又出現電力機車、柴油機車、燃氣輪機車。
蒸汽機車的發展 1803年英國的特裏維西克制造出第壹臺在軌道上行駛的蒸汽機車；1814年，英國的斯蒂芬森制造出壹臺 5噸重的“皮靴”號蒸汽機車，這通常被認為第壹臺成功的機車。但真正在鐵路上使用，並為現代蒸汽機車奠定基礎的，是斯蒂芬森父子設計者建造的、並於1829年在比賽中獲獎的“火箭”號蒸汽機車，它行駛速度達58公裏/小時，創造了當時地面行駛車輛的最高速度。
1831年，美國土木工程師傑維斯首次在機車前部試裝壹引導轉向架，使機車能夠在彎道上安全行駛；1836年美國坎貝爾設計壹臺兩軸引導轉向架兩軸聯動的機車，但這壹設計並不成功，直到同時代的機械工程師哈裏森進行了加裝車軸均衡機構的改進後，才成為完善的機車。不久這輛機車便成為美國的標準型機車，並命名為“美國人”，被廣泛應用到19世紀90年代。該型999號機車於1893年創造了181公裏/小時的當時最高速度。
為了提高飽和蒸汽的利用率、加大機車的牽引力，並能更好地通過彎道，1888年瑞士造出第壹臺關節復脹機車，由工程師馬勒設計，稱馬勒型機車。1904年美國引進並在山區使用了馬勒型機車，後改為單脹式，制造出最大的蒸汽機車2-4-4-2型。
進入20世紀，采用過熱蒸汽的蒸汽機車迅速推廣，這時的機車已向大蒸發量、大尺寸、大鍋爐的大型化發展。中國於1881年制出自己的第壹臺蒸汽機車“中國火箭”號，運行於唐山-胥各莊鐵路。
蒸汽機車雖經100多年的發展，但運用熱效率只有6%左右，加上保養維修量大、汙染嚴重、日運行裏程短，因此逐漸被熱效率高、運用率高的電力機車和柴油機車取代。美國於1960年、英國於1968年、法國於1972年、日本於1975年、德國和前蘇聯均於1977年、中國於1992年相繼停止使用蒸汽機車。
電力機車的發展 1835年荷蘭的斯特拉廷和貝克爾兩人，試制了以電池供電的兩軸小型鐵路電力機車；1842年，蘇格蘭的戴維森制造出壹臺由40組電池供電的標準軌距的電力機車；1879年，德國的西門子設計制造了壹輛小型電力機車，電源由機車外部的150伏直流發電機供給，並通過兩軌道和其中間的第三軌道向機車輸入，電力機車首次成功行駛。
1890年英國倫敦首次用電力機車在5.6公裏長的壹段地下鐵道上牽引車輛。1895年美國的巴爾的摩鐵路隧道區段采用的幹線電力機車，功率為1070千瓦。20世紀初，歐洲有幾個國家曾建成幾段以三相交流電供電的電氣化鐵路。
20世紀初，電力牽引的優越性已被公認，到20年代末，幾乎每個歐洲國家都已有電氣化鐵路。因三相交流供電系統和機車變流裝置復雜，電力機車逐漸趨向采用工頻單向交流電。50年代以後，隨著大功率汞弧整流器和引燃管整流器的出現，特別是矽二極管整流器的出現，促進了采用工頻交流電的電力機車的發展。
70年代以來，幹線電力機車向大功率、高速度、耐用方向發展。客運電力機車的速度已從每小時160公裏提高到200公裏。中國1958年制成了第壹輛以引燃管整流的“韶山”型電力機車，1968年又改用矽整流器成功，制成“韶山-1”型電力機車。
內燃機車的發展 在柴油機車出現之前，1906年美國制造出電力傳動的汽油動車。1913年瑞典制造出電力傳動的柴油動車，這些動車與柴油機車的構造類似。1924年蘇聯用壹臺735千瓦潛水艇柴油機，制成壹輛電力傳動的柴油機車。1923年美國制成220千瓦的電力傳動的柴油機車。
到了二十世紀30年代初，柴油機車進入了試用和實用階段、功率多在壹千千瓦以內，主要以調車機車為主。到30年代後期，出現了單節機車多節聯掛的幹線客運柴油機車。
柴油機車的運行表明，它的經濟效益比同等功率的蒸汽機車高得多。1945年以後，柴油機車進入大發展的階段。柴油機上多配裝廢氣渦輪增壓系統，功率普遍提高。中國東北地區在30年代曾試用柴油機車，1958年開始制造巨龍號內燃機車，
燃氣輪機機車的發展 最早的燃氣輪機車是從使用復式燃氣輪機開始的。1933年瑞典制成了480千瓦的自由活塞燃氣輪機車；1951年法國先後制成735千瓦和1770千瓦自由活塞燃氣輪機車；1954年前蘇聯制造了2210千瓦的自由活塞燃氣輪機；1941年，瑞士首先制造出開式燃氣輪機車；40年代末和50年代，英國、美國等制造出不同功率的開式燃氣輪機車。
最早發明的機車是蒸汽機車，它利用蒸汽機代替畜力牽引軌道上的車輛。以後出現的各種機車也是在新型動力機問世後研制出來的。繼蒸汽機車之後依次出現的幾種機車是：電力機車、柴油機車、燃氣輪機車。
1804年英國人特裏維西克創造出第壹臺蒸汽機車。1829年制造的“火箭”號機車奠定了現代蒸汽機車的基本形式，後來在構造和效率方面作了不斷改進。為適應運輸需要制造出各種用途的蒸汽機車，又不斷向大功率、大牽引力和高速度發展，到20世紀30～40年代達到高峰。
1879年首次制成應用第三軌供直流電的小電力機車。19世紀90年代有些國家便在地下鐵道、大城市市郊鐵路和幹線長隧道區段應用電力機車。到20世紀20年代末，不少國家已有電氣化鐵路，大多采用架空的接觸網供直流電。50年代，大功率引燃管式整流器和60年代大功率半導體整流器件問世後，工業頻率交流電力機車得以迅速發展。這種機車功率增大，性能顯著改善，雖然基本建設投資較大，但經濟效益高，可以用在運輸繁忙的電氣化鐵路幹線上。
1923年柴油機車制成試用，1925年正式應用。初期因柴油機功率不大，多用於調車作業；後來有了1000千瓦左右的機車用柴油機，便制造出幹線用機車，由兩節或多節聯掛。從運用結果表明它比蒸汽機車優越。50年代就迅速推廣開來，功率也逐漸增大。
1941年制造燃氣輪機車，1943年首次在鐵路上運用，有少數國家在做試驗性運用或小批量正式運用後停用。雖未大量采用，但有發展前途。
蒸汽機車構造簡單，成本低廉，堅固耐用，在鐵路上原占主導地位。但因經濟效益不高和排煙汙染環境而逐漸被柴油機車和電力機車取代。美國於1960年，英國於1968年，法國於1972年，日本於1975年，聯邦德國和蘇聯均於1977年相繼停用。雖有不少國家仍在使用，但擔負的運量比重日益縮小。 機車可按所采用的動力裝置、用途和走行部形式分類。
按動力裝置分類，可分為兩類。
①熱力機車：
所裝的原動機屬於熱機，如蒸汽機車、柴油機車、燃氣輪機車等。這類機車都攜帶燃料和水，是自帶能源的機車，能獨立地行駛，只要有合適的軌道和添加燃料與水的設備，就能運行。但機車重量和外形尺寸分別受軸重和鐵路限界的約束，不能造得過重過大，因而裝於機車內的動力裝置的重量和尺寸也受到約束。
柴油機和燃氣輪機均屬內燃機，裝用這兩種原動機的機車稱為內燃機車。我國主要有東風內燃機車（DF）。柴油機車安裝用的傳動裝置的傳動方式，又可分為機械傳動柴油機車、電力傳動柴油機車和液力傳動柴油機車；燃氣輪機車也是如此。
②電力機車：
壹種由外部電站輸給沿鐵路的變電所，再經軌道上空的接觸網或鋪設於軌道壹側的第三軌供給電能的機車。供電容量不受額定功率限制，因此，它具有功率大，短時過載能力強，運行速度高，加速快，牽引力大，沒有排煙排氣汙染環境等優點，適用於運輸繁忙或坡度大、隧道長的鐵路線上，尤其適用於大城市城郊運輸和地下鐵道運輸。但這種機車只能運行於架有接觸網或鋪設第三軌並供電的線路上，不如熱力機車機動靈活。電氣化鐵路還對附近電信通信有幹擾。因為要架設接觸網或鋪設第三軌以及每隔壹定距離設置變電所等，所以基本建設投資較大。我國主要有韶山電力機車（SS)。
按用途分類，可分為五類。
①客運機車：
牽引客車車列的機車，需有較高的運行速度和起動加速度，並能作長距離運行，但牽引力不壹定要很大。
②貨運機車：
牽引貨車車列的機車，須有相當大的牽引力，能作長距離運行，但運行速度不必很高。
③客貨通用機車（或通用機車）：
牽引重的（輛數多的）客車車列或較輕的快速貨車（裝鮮活貨、冷藏貨等）車列，其性能介於客運機車和貨運機車之間。
④調車機車：
在車站內或編組站（場）用於車列的解體和編組，如牽出、轉線和車輛的取送等作業的機車。這種機車起動和停車頻繁，正向和反向行駛頻繁，應有足夠的粘著重量、牽引力、起動加速度，必要的功率和良好的換向性能，運行速度可更低些。調車機車有站內調車機車和編組站調車機車兩種。前者適用於車站進行客車車列或部分貨車車列的摘掛和牽出作業，也適用於工礦企業廠內運輸，所需功率較小；後者適用於編組站（場）進行車列解體、編組和牽出作業，也可兼作短途運輸。
⑤工礦機車：
擔任采掘、冶金、石油、化工、森林等企業內部運輸和工廠內部運輸的機車。壹般說功率比鐵路幹線用的機車小，速度要求也不高，但須有足夠的牽引力。在某些特殊工廠運輸用的機車還須有防火、防爆等設施。為此，有幾種專門設計的機車，如：壓縮空氣機車，以壓縮空氣貯氣罐代替蒸汽機車鍋爐，將壓縮空氣降壓輸至汽缸工作；無火蒸汽機車，又稱蓄蒸汽機車，實際是無火箱的常規蒸汽機車，是將有壹定壓力和相應溫度的飽和蒸汽和飽和水儲於保溫的鍋爐內降壓輸至汽缸工作；蓄電池機車，自身攜帶蓄電池供電給牽引電動機來驅動車輪的電力機車。
按走行部形式分類，可分為兩類。
①車架式機車：
機車的動軸以固定位置裝於剛性車架。蒸汽機車的動力通過搖桿、連桿驅動各動輪；不少小型柴油機車的動力是通過變速齒輪箱輸出齒輪軸兩端所裝的曲拐銷以連桿驅動動輪。這種走行部有結構簡單、造價低廉等優點。但固定軸距（裝在剛性車架上的最前軸和最後軸按軸心計算的水平距離）長，通過曲線線路較困難，不宜於高速行駛，因此蒸汽機車的動輪前部裝有導輪轉向架，後部裝有從輪轉向架，但這種機車仍屬車架式機車。
②轉向架式機車：
機車車架兩端各由壹臺可平旋的轉向架支撐。兩臺轉向架與車架相連接，並將動輪產生的輪周牽引力傳遞給車架和車鉤。電力機車、柴油機車和燃氣輪機車都采用這形式。每臺轉向架可裝2～4根軸，壹般裝2～3根軸。轉向架各軸通常均為動軸，電力傳動機車的動軸幾乎都是單獨驅動的，只有單牽引電動機車轉向架和液力傳動機車轉向架的動軸是聯動的（成組聯合驅動的）。機車各轉向架都可沿曲線線路平轉，固定軸距短，易於通過曲線線路，加之彈簧懸掛系統完善，因而運行平穩，利於高速行駛。
按車體形式分類，可分為兩類
罩式車體：壹般多用於調車機車、礦工機車等，也有壹些幹線貨運機車采用這種車體。我國所生產的東風2、東風5和東風7以及從美國所進口ND5型機車均屬於罩式車體。它在車架中間有壹座”小房子“，除了司機室外，還把機器罩起來，需要時才打開罩。
棚式車體：壹般多用於幹線機車，將機器和過道同時罩起，司機可以看到機器，聽到他的響聲。