1889年，德國科學家魯道夫.迪澤（ Dr. Rudolf Diesel ) 獲得壓縮式點火發動機專利，人們用他的名字命名這一發動機-柴油機（Diesel Engine)。魯道夫·迪澤（Rudolf Diesel）基于熱力學中的卡諾循環，設想將噴入氣缸的柴油和吸入的空氣高度壓縮，使其溫度超過柴油的自燃溫度，（汽油發動機吸入燃氣混合氣后要由電火花點燃）柴油在發動機氣缸內爆燃，推動氣缸活塞運動，活塞通過連桿驅動輸出軸轉動。
當柴油機發明后，人們開始琢磨著如何將這發動機應用到鐵路機車中。1906年，柴油機發明者迪澤（Diesel）和德國鐵路工程師阿道夫·克勞茨（Adolf Klose）、瑞士發動機制造商格林·蘇爾壽（Gebrüder Sulzer）成立了狄塞爾-蘇爾壽-克勞茨有限公司（Diesel-Sulzer-Klose GmbH），專門設計生產鐵路柴油機車，并設計生產世界第一臺柴油機動力機車，于1912年在瑞士 Winterthur–Romanshorn 鐵路上運行試驗。1913年的運行試驗中，發現了一些問題，當改進工作進行時，1914年第一次世界大戰爆發。所有的試驗和改進工作被迫停止。? 最終沒有形成產品。
在內燃機車作為火車頭，成為牽引機車之前。一種柴油機驅動的軌道車輛首先發明。1903年匈牙利Weitzer railmotor公司設計了第一臺內燃機驅動的電傳動軌道車輛。不過內燃機是汽油機, 法國公司 De Dion-Bouton 制造，電機是德國西門子公司制造。總共制造了65輛內燃機車和40輛加掛車輛。最后一輛內燃機在1965年退役。這輛車的傳動系統是電力傳動。內燃機車的傳動系統（power transimission)是將內燃機產生的旋轉動力轉換到機車輪對的驅動力（也成為牽引力）。
1914年，世界第一臺柴油機電動車由德國公司Waggonfabrik Rastattirst設計，采用了 瑞士Sulzer AG公司的柴油機和Brown, Boveri & Cieiesel公司的電氣設備。第一次世界大戰爆發后，這臺機車作為稀罕物封存起來未用。直到1922年，一戰結束后，這臺柴油機電動車在瑞士開始使用，直到1965年。
1922年意大利的菲亞特（Fiat）公司 宣布制造一臺柴油機電傳動車，沒有找到這早期的軌道電傳動車資料，菲亞特公司1930年生產的柴油機電傳動車（Littorina)陳列在鐵路博物館。
1925 美國 ALCO （American Locomotive Company) 設計開發了一種柴油機電傳動的小型機車（ Boxcabs）。 公司采用美國GE公司的發動機，牽引電機和控制系統，訂購英Ingersoll Rand 公司的柴油機。ALCO公司主要負責總體設計，包括轉向架，齒輪箱，和車體輪對。柴油機驅動主發動機，生成600伏的直流電，帶動四個牽引電機，每一電機通過齒輪驅動輪軸，這與現代的電傳動機車相同。該車與上述的內燃機電車不同，不帶車廂，僅是機車頭。機車本來是為編組站（Switch Yard，請看編組站章節）設計使用的，稱為調車機車，兼顧短程運輸（鐵路術語：小運轉）。1923年，紐約市禁止污染嚴重的蒸汽機車進入紐約市的范圍。這款機車（Boxcabs）正好適用城郊的客運。它比外部輸電的電動車的造價要低得多。
1924年，真正的線路（干線）內燃機車在前蘇聯（現烏克蘭）的基鋪（Kiev）開始運營。這一內燃機車，在蘇聯使用了30多年，雖然沒有形成系列產品，但為其它蘇聯的內燃機車發展提供了樣本。
1929年，德國公司（Deutsch ReichsBahn）制造了第一臺柴油機驅動的氣動火車（diesel-pneumatic locomotive）。乍一看該機車是臺蒸汽機車。因為其輪對的驅動方式跟蒸汽機車一樣，機械傳動系統。柴油機驅動氣缸，氣缸通過連桿直接驅動輪對。這種方式的驅動不需車載發電機和驅動電機。該機車使用的發動機是6缸1000/1200馬力(ph)，原是為德國的潛水艇（ U-boats）設計的。機車最大軸重18噸，設計時速70公里/小時，4-6-4式。顯然這款機車并沒有得到廣泛的應用。
美國通用電氣公司（GE）在20世紀初涉足鐵路軌道車市場，而作為通用電氣創始人之一的托馬斯·愛迪生（ Thomas Edison）也于1880年進行了電力軌道車的實驗，通用電氣（GE）公司于1895年首次推出了電力機車原型車。由于高成本的電氣化費用，GE開發隨車柴油機-發電機向牽引電動機供電，電傳動柴油機車。剛開始研制就遇上技術困難-柴油機和電動機協調性或功率匹配欠佳。到1914年，一位通用電氣工程師赫爾曼·萊帕（Hermann Lemp）發明了一種可靠的直流電力控制系統并申報了專利。該控制系統將內燃發動機調節器與發電機和牽引電動機自動耦合，內燃電傳動機車上就無需由第三者來人工調節發動機 。這個系統的意義在于解決了電傳動柴油機車的控制協調問題。
當時鐵路電氣化成本非常高的情況下，這種柴油機-電傳動機車的應用相當經濟。1920年代中期，美國鮑德溫機車廠（Baldwin Locomotive Works）也設計生產了一種電傳動柴油機車的原型車，采用西屋電氣公司（Westinghouse Electric）的電器設備，主要運用于難以運行蒸汽機車的路段，例如缺水、缺煤的地方。1929年，加拿大國家鐵路向西屋電氣訂購了兩臺柴油機車，成為北美首家將柴油機車運用于鐵路干線的鐵路公司。
與傳統的蒸汽機車相比，內燃機車動力強大，沒有煤煙污染，而且維護要相對容易。在1930年代的北美大陸，電傳動柴油機車迅速成為鐵路干線上的主力，蒸汽機車開始逐步被柴油機車取代，并出現了一些由單機功率900～1000千瓦柴油機車多節重聯連掛組成的干線柴油機車。
傳動系統是內燃機車除發動機外的重要系統。有幾種不同的類型。
內燃機車機械傳動。這個結構比較簡單
機械傳動系統較為簡單，主要就是通過柴油機帶動齒輪，齒輪通過連桿（coupling rod)驅動輪對。這種機車功率較小，主要是用在廠礦和港口。
電傳動柴油機（Diesel-Electric），是用機車上柴油機帶動發電機轉化為動力，再由牽引電動機驅動車輪。初期的內燃機車都使用調速簡單的直流電動機來帶動車輪，1960年代，由于高容量的變流器（rectifier）的應用，直流發電機被交流發電機取代。1980年代，高功率的逆變器（inverter）出現，變壓變頻VVVF （variable-voltage,variable-frequency）控制技術的應用，? 使得三相交流（AC） 牽引電機取代直流（DC）電機，簡化換向器（commutator ）和電刷（ brushes），因為交流牽引電動機比直流電動機結構簡單，尺寸較小，易于維護，功率更大，但是需要配搭技術和質量高的逆變器（直流-交流轉換）。按照直流和交流的制式，電傳動可分為：
直流電力傳動（直-直）：牽引發電機和電動機均為直流電機。
交—直流電力傳動：使用三相交流同步發電機，發出交流電經過整流器裝置變為直流電，供應直流牽引電動機。
交—直—交流電力傳動：使用三相交流同步發電機，發出交流電通過整流器變為直流電，電路中恒定直流電壓通過逆變器調節其振幅和頻率，將直流電逆變成變頻調壓交流電，供給交流牽引電動機。
中國的內燃機車主要電傳動機車，其中，東風系列國產的主要產品。早期的東風機車東風3以前，都是直-直系統，從DF4開始，機車傳動系統改成交-直系統。大連機車廠是主要的生產廠家，其它廠家資陽廠，四方廠，唐山機車廠，和大同機車廠都參與東風系列機車的生產制造，到2007年，東風系列共生產了一萬多臺。
2007年后，中國開始與美國GE和EMD(原美國GM）公司合作共同生產制造大功率內燃機車，中國內燃機車生產制造的水平迅速提高。這些大功率機車都用現代交-直-交技術，到今天，近2000臺大功率機車已生產。同時有自主產權的新型現代機車正在試行。
液力傳動柴油機車（Diesel-Hydraulic），使用液力變扭器（torque-converter），用液力把內燃機的動力傳到輪對上。液力變扭器主要有三個部分：離心式油泵，渦輪及中間固定導論。離心式油泵和內燃機曲軸相連，當內燃機轉動時，離心式油泵隨之轉動，把傳動液通過導論泵向渦輪，渦輪被傳動液沖擊帶動而旋轉，渦輪連接齒輪箱，驅動輪對。這和自動擋汽車的傳動方式類似。
液力傳動的內燃機車結構較電傳動機車簡潔，重量輕，不像電力傳動機車同時需要發電機，整流柜／逆變器和電動機等部件。即在同樣的機車重量下，液傳機車的功率一般都比電傳機車大。以中國的東方紅3型（液傳機車）和東風型（電傳機車）為例，東方紅3型重量為92噸，功率達1980kW；而東風型車重126噸（電傳動），功率僅1500kW。而且液力傳機車不需要消耗電傳機車電機設備，制造成本較低。然而在同等功率下，液力傳動的機車，耗油量要高出10~20%，經濟性較差。
當液力機車起動和低速運行時，變扭器中的渦輪轉速很低，傳動油對渦輪葉片的壓力就很大，從而滿足機車起動時牽引力大的需求；當渦輪的轉速隨著機車運行速度提高而加快時，傳動液對渦輪葉片的壓力也逐漸減小，正好滿足機車高速運行時對牽引力小的需求。在特定的負載條件下，液傳機車的功率傳遞效率比電傳機車略高。全負載情況下，液傳的效率稍高于電傳；半負載情況下，液傳效率會進一步提升，而電傳效率會進一步下降。功率越小，液力傳動的優勢就越明顯，功率越大液力傳動效率越低，依靠提高泵輪轉速推高功率使變扭器發出高熱，造成能量流失，這時電力傳動更有優勢。
NY6，NY7型柴油機車是西德亨舍爾（Henschel Werke）公司于1970年代為中國鐵路設計制造的液力傳動柴油機車車。該型機車是采用雙機組設計的干線貨運機車，設有兩套相同而又互相獨立的動力傳動機組，機車最大速度為120公里/小時，機車名義功率為4600馬力，最大運用功率為4300馬力。NY7發動機功率略大一點，5000馬力。
液力傳動柴油機車的功率難以提升，因為液力傳動裝置受到泵輪、變扭器箱體金屬強度的限制，只能有限度承受并傳遞非常巨大的液壓力。至2006年，德國福伊特公司才研制出世界上首臺功率達5000馬力的液傳內燃機車Voith Maxima 40cc（德語：Voith Maxima），但電傳機車早在十幾年前已達到同功率級別。早期的液傳機車技術未成熟，故障率稍高。但液力變扭器傳動裝置本身沒有磨耗零件，只要金屬質量、精度達標，機車可靠性可以相當高，保養也更便捷。
在鐵路發展方向為重載和高速的國家，如中國和北美洲，大部分的柴油機車都是採用電力傳動，這是因為液傳機車無法發展為單機大功率內燃機車。而在日本和歐洲，尤其是德國，以電力為主要牽引動力，客車普遍使用高速列車，內燃機車居于次要的位置，大多用于中速輕載或調車作業，對功率要求不高，而液傳機車正擁有中低速牽引力較大的特點，所以這些國家的柴油機車主要為液力傳動。
中國的液力傳動內燃機車，也有過不凡的歷史，北京二七機車車輛廠，1970年曾設計過6000馬力的液力傳動內燃機車，實質上是雙發動機和雙液力傳動系統。由于質量問題，試運不久就下線了。接著該廠又研發了2700馬力的液力傳動內燃機車，主要用在客運。經過數年的努力，終于在1975年定型批量生產。1975-1990年間，該機車在中國扮演重要的客運角色。1991年，國內產業政策規定電傳動內燃機為主，該廠液力傳動產品逐年減少，直到2017年，這個近百年歷史的老廠終于關閉。
內燃機車的是個老產品，但內燃機車在世界范圍內還是廣泛的應用，包括美國在內的發達國家，內燃機車還是貨運的主力。大功率機車，多機串聯的牽引方式，還在應用。
雙動力源鐵路機車（electro-diesel locomotive）是指牽引電機的電源，既可以使用車載的柴油發電機組作為動力源，又可以從供電系統通過車頂的電弓獲得電能。雖然雙動力源，但機車共用牽引電機。
同時結合了電力機車和電力傳動內燃機車的特點。當車輛在電氣化鐵路上運行時可采用電力模式，當機車運行到非電氣化鐵路上時可以切換到內燃模式，實現電氣化鐵路和非電氣化鐵路間不停車的連續運行，具有縮短列車運行時間、擴大機車車輛運行范圍、提高機車車輛運用效率等優點。
當然，雙動力源機車的設計，根據線路和具體情況分三類，電力機車為主柴油機為輔，柴油機為主電力供電為輔，柴油動力和供電均分。美國GE Genesis 系列雙動力源機車就是以柴油機為主。（P32AC-DM, EMD DM30AC)
最后介紹混合動力鐵路機車（hybrids locomotive)，混合動力鐵路車輛的特點是具有可充電儲能裝置，可利用柴油發電機組、大容量蓄電池組單獨或兩者混合提供動力，不用電氣化鐵路供電系統獲得外部電源。
