内燃机车和电力机车都诞生于19世纪末，内燃机车的工作原理是：让柴油或煤气燃料在汽缸里燃烧，利用燃烧时产生的温度高和压力大的气体去推动活塞，带动车轮前进。而电力机车则利用电力，通过电动机使车轮转动起来。
与蒸汽机车相比，这两种机车先进多了。内燃机可把燃料的28％用于驱动车轮，这比蒸汽机只用上7％的燃料高出3倍。加足了油和少量水，一口气可以跑上一千多千米。虽然内燃机车本身的造价是相同马力的蒸汽机车的3倍，可运行费用仅是蒸汽机车的40％左右，而且铁路沿线的辅助设施较少，所以总的维修费用也较低。在国外，特别是美国，几乎都采用柴油机车，并且大部分是由柴油机发动力驱动发电机，用产生的电力再驱动电动机使火车行驶。采用这种传动方式的机车，叫做电传动柴油机车。在英国，伦敦至爱丁堡之间行驶的电动机车德丁克号，牵引1500吨的列车时速可达160千米以上。世界上柴油机车的先锋是德国，早在1937年，飞行汉堡号就已达到时速187千米的高速。在日本，由于石油靠进口，柴油机车数量并不多。在我国，内燃机车已成为铁路运输的主力。
柴油机是由德国人鲁道夫·狄塞尔发明的，他曾到美国推销他发明的柴油机，美国通用电器公司一名叫兰普的技术人员，试用德国人的柴油机组装了一台电传动的内燃机车。这是世界上第一台用柴油机做动力的机车，是内燃机车电传动原理的第一次应用，是现代内燃机的鼻祖。内燃机车虽然有不少优点，但目前内燃机的单机功率还不如电力机车的电机功率大。如果铁路要翻山越岭，有些路段坡度较大，这时内燃机车就有些“力不从心”，要改用电力机车了。
电力机车分为直流和交流两种，机车内装有电动机，利用电力使车轮转动起来。它的机械构造比内燃机车简单，购买、保养的价格都较低，而且功率大。电力机车的工作效率高，没有污染。在电力资源丰富的国家，例如日本，电力机车就占绝对优势。用煤做一次能源，进行火力发电，有30％的热能可以转变为电能，而电力输送及电机工作的效率都很高，所以电力机车的能源利用率高，远远大于蒸汽机车的利用率，因此，应用电力机车可以节约能源。
电气化铁路的建设要设置变电所、电网，这些设备要花很多钱。尽管如此，发展电气化铁路仍是世界铁路发展的主导潮流。
近些年以来，随着时代的进步，越来越多的新技术、新发明被应用到铁路机车的改进与革新上，一批新型机车相继涌现出来。
早在1966年10月，法国就率先将飞机发动机应用到铁路机车上，并取得了成功，从而诞生了世界上第一辆燃汽轮机机车。1967年，法国又研制出了第一辆功率为1380千瓦的TGS燃气轮机机车，它功率大，在高寒、干旱地区使用这种机车十分适合。
除了改进动力系统外，科学工作者们还从其他的角度另辟蹊径，研制新型火车。如气垫列车和磁悬浮列车就是代表之作。一般机车是利用车轮与钢轨之间的摩擦力来牵引列车的，当速度超过某一值时，再提速度就很困难。因此，从20世纪60年代开始，人们就研究了气垫和磁悬浮列车的可行性，到20世纪70年代末期，国外又出现了摆动式列车以保证高速时乘坐舒适。