內燃機車和電力機車都誕生於19世紀末，內燃機車的工作原理是：讓柴油或煤氣燃料在汽缸裏燃燒，利用燃燒時產生的溫度高和壓力大的氣體去推動活塞，帶動車輪前進。而電力機車則利用電力，通過電動機使車輪轉動起來。
與蒸汽機車相比，這兩種機車先進多了。內燃機可把燃料的28％用於驅動車輪，這比蒸汽機只用上7％的燃料高出3倍。加足了油和少量水，壹口氣可以跑上壹千多千米。雖然內燃機車本身的造價是相同馬力的蒸汽機車的3倍，可運行費用僅是蒸汽機車的40％左右，而且鐵路沿線的輔助設施較少，所以總的維修費用也較低。在國外，特別是美國，幾乎都采用柴油機車，並且大部分是由柴油機發動力驅動發電機，用產生的電力再驅動電動機使火車行駛。采用這種傳動方式的機車，叫做電傳動柴油機車。在英國，倫敦至愛丁堡之間行駛的電動機車德丁克號，牽引1500噸的列車時速可達160千米以上。世界上柴油機車的先鋒是德國，早在1937年，飛行漢堡號就已達到時速187千米的高速。在日本，由於石油靠進口，柴油機車數量並不多。在我國，內燃機車已成為鐵路運輸的主力。
柴油機是由德國人魯道夫·狄塞爾發明的，他曾到美國推銷他發明的柴油機，美國通用電器公司壹名叫蘭普的技術人員，試用德國人的柴油機組裝了壹臺電傳動的內燃機車。這是世界上第壹臺用柴油機做動力的機車，是內燃機車電傳動原理的第壹次應用，是現代內燃機的鼻祖。內燃機車雖然有不少優點，但目前內燃機的單機功率還不如電力機車的電機功率大。如果鐵路要翻山越嶺，有些路段坡度較大，這時內燃機車就有些“力不從心”，要改用電力機車了。
電力機車分為直流和交流兩種，機車內裝有電動機，利用電力使車輪轉動起來。它的機械構造比內燃機車簡單，購買、保養的價格都較低，而且功率大。電力機車的工作效率高，沒有汙染。在電力資源豐富的國家，例如日本，電力機車就占絕對優勢。用煤做壹次能源，進行火力發電，有30％的熱能可以轉變為電能，而電力輸送及電機工作的效率都很高，所以電力機車的能源利用率高，遠遠大於蒸汽機車的利用率，因此，應用電力機車可以節約能源。
電氣化鐵路的建設要設置變電所、電網，這些設備要花很多錢。盡管如此，發展電氣化鐵路仍是世界鐵路發展的主導潮流。
近些年以來，隨著時代的進步，越來越多的新技術、新發明被應用到鐵路機車的改進與革新上，壹批新型機車相繼湧現出來。
早在1966年10月，法國就率先將飛機發動機應用到鐵路機車上，並取得了成功，從而誕生了世界上第壹輛燃汽輪機機車。1967年，法國又研制出了第壹輛功率為1380千瓦的TGS燃氣輪機機車，它功率大，在高寒、幹旱地區使用這種機車十分適合。
除了改進動力系統外，科學工作者們還從其他的角度另辟蹊徑，研制新型火車。如氣墊列車和磁懸浮列車就是代表之作。壹般機車是利用車輪與鋼軌之間的摩擦力來牽引列車的，當速度超過某壹值時，再提速度就很困難。因此，從20世紀60年代開始，人們就研究了氣墊和磁懸浮列車的可行性，到20世紀70年代末期，國外又出現了擺動式列車以保證高速時乘坐舒適。