1889年，德国科学家鲁道夫.迪泽（ Dr. Rudolf Diesel ) 获得压缩式点火发动机专利，人们用他的名字命名这一发动机-柴油机（Diesel Engine)。鲁道夫·迪泽（Rudolf Diesel）基于热力学中的卡诺循环，设想将喷入气缸的柴油和吸入的空气高度压缩，使其温度超过柴油的自燃温度，（汽油发动机吸入燃气混合气后要由电火花点燃）柴油在发动机气缸内爆燃，推动气缸活塞运动，活塞通过连杆驱动输出轴转动。
当柴油机发明后，人们开始琢磨着如何将这发动机应用到铁路机车中。1906年，柴油机发明者迪泽（Diesel）和德国铁路工程师阿道夫·克劳茨（Adolf Klose）、瑞士发动机制造商格林·苏尔寿（Gebrüder Sulzer）成立了狄塞尔-苏尔寿-克劳茨有限公司（Diesel-Sulzer-Klose GmbH），专门设计生产铁路柴油机车，并设计生产世界第一台柴油机动力机车，于1912年在瑞士 Winterthur–Romanshorn 铁路上运行试验。1913年的运行试验中，发现了一些问题，当改进工作进行时，1914年第一次世界大战爆发。所有的试验和改进工作被迫停止。 最终没有形成产品。
在内燃机车作为火车头，成为牵引机车之前。一种柴油机驱动的轨道车辆首先发明。1903年匈牙利Weitzer railmotor公司设计了第一台内燃机驱动的电传动轨道车辆。不过内燃机是汽油机, 法国公司 De Dion-Bouton 制造，电机是德国西门子公司制造。总共制造了65辆内燃机车和40辆加挂车辆。最后一辆内燃机在1965年退役。这辆车的传动系统是电力传动。内燃机车的传动系统（power transimission)是将内燃机产生的旋转动力转换到机车轮对的驱动力（也成为牵引力）。
1914年，世界第一台柴油机电动车由德国公司Waggonfabrik Rastattirst设计，采用了 瑞士Sulzer AG公司的柴油机和Brown, Boveri & Cieiesel公司的电气设备。第一次世界大战爆发后，这台机车作为稀罕物封存起来未用。直到1922年，一战结束后，这台柴油机电动车在瑞士开始使用，直到1965年。
1922年意大利的菲亚特（Fiat）公司 宣布制造一台柴油机电传动车，没有找到这早期的轨道电传动车资料，菲亚特公司1930年生产的柴油机电传动车（Littorina)陈列在铁路博物馆。
1925 美国 ALCO （American Locomotive Company) 设计开发了一种柴油机电传动的小型机车（ Boxcabs）。 公司采用美国GE公司的发动机，牵引电机和控制系统，订购英Ingersoll Rand 公司的柴油机。ALCO公司主要负责总体设计，包括转向架，齿轮箱，和车体轮对。柴油机驱动主发动机，生成600伏的直流电，带动四个牵引电机，每一电机通过齿轮驱动轮轴，这与现代的电传动机车相同。该车与上述的内燃机电车不同，不带车厢，仅是机车头。机车本来是为编组站（Switch Yard，请看编组站章节）设计使用的，称为调车机车，兼顾短程运输（铁路术语：小运转）。1923年，纽约市禁止污染严重的蒸汽机车进入纽约市的范围。这款机车（Boxcabs）正好适用城郊的客运。它比外部输电的电动车的造价要低得多。
1924年，真正的线路（干线）内燃机车在前苏联（现乌克兰）的基铺（Kiev）开始运营。这一内燃机车，在苏联使用了30多年，虽然没有形成系列产品，但为其它苏联的内燃机车发展提供了样本。
1929年，德国公司（Deutsch ReichsBahn）制造了第一台柴油机驱动的气动火车（diesel-pneumatic locomotive）。乍一看该机车是台蒸汽机车。因为其轮对的驱动方式跟蒸汽机车一样，机械传动系统。柴油机驱动气缸，气缸通过连杆直接驱动轮对。这种方式的驱动不需车载发电机和驱动电机。该机车使用的发动机是6缸1000/1200马力(ph)，原是为德国的潜水艇（ U-boats）设计的。机车最大轴重18吨，设计时速70公里/小时，4-6-4式。显然这款机车并没有得到广泛的应用。
美国通用电气公司（GE）在20世纪初涉足铁路轨道车市场，而作为通用电气创始人之一的托马斯·爱迪生（ Thomas Edison）也于1880年进行了电力轨道车的实验，通用电气（GE）公司于1895年首次推出了电力机车原型车。由于高成本的电气化费用，GE开发随车柴油机-发电机向牵引电动机供电，电传动柴油机车。刚开始研制就遇上技术困难-柴油机和电动机协调性或功率匹配欠佳。到1914年，一位通用电气工程师赫尔曼·莱帕（Hermann Lemp）发明了一种可靠的直流电力控制系统并申报了专利。该控制系统将内燃发动机调节器与发电机和牵引电动机自动耦合，内燃电传动机车上就无需由第三者来人工调节发动机 。这个系统的意义在于解决了电传动柴油机车的控制协调问题。
当时铁路电气化成本非常高的情况下，这种柴油机-电传动机车的应用相当经济。1920年代中期，美国鲍德温机车厂（Baldwin Locomotive Works）也设计生产了一种电传动柴油机车的原型车，采用西屋电气公司（Westinghouse Electric）的电器设备，主要运用于难以运行蒸汽机车的路段，例如缺水、缺煤的地方。1929年，加拿大国家铁路向西屋电气订购了两台柴油机车，成为北美首家将柴油机车运用于铁路干线的铁路公司。
与传统的蒸汽机车相比，内燃机车动力强大，没有煤烟污染，而且维护要相对容易。在1930年代的北美大陆，电传动柴油机车迅速成为铁路干线上的主力，蒸汽机车开始逐步被柴油机车取代，并出现了一些由单机功率900～1000千瓦柴油机车多节重联连挂组成的干线柴油机车。
传动系统是内燃机车除发动机外的重要系统。有几种不同的类型。
内燃机车机械传动。这个结构比较简单
机械传动系统较为简单，主要就是通过柴油机带动齿轮，齿轮通过连杆（coupling rod)驱动轮对。这种机车功率较小，主要是用在厂矿和港口。
电传动柴油机（Diesel-Electric），是用机车上柴油机带动发电机转化为动力，再由牵引电动机驱动车轮。初期的内燃机车都使用调速简单的直流电动机來带动车轮，1960年代，由于高容量的变流器（rectifier）的应用，直流发电机被交流发电机取代。1980年代，高功率的逆变器（inverter）出现，变压变频VVVF （variable-voltage,variable-frequency）控制技术的应用， 使得三相交流（AC） 牵引电机取代直流（DC）电机，简化换向器（commutator ）和电刷（ brushes），因为交流牵引电动机比直流电动机结构简单，尺寸较小，易于维护，功率更大，但是需要配搭技术和质量高的逆变器（直流-交流转换）。按照直流和交流的制式，电传动可分为：
直流电力传动（直-直）：牵引发电机和电动机均为直流电机。
交—直流电力传动：使用三相交流同步发电机，发出交流电经过整流器装置变为直流电，供应直流牵引电动机。
交—直—交流电力传动：使用三相交流同步发电机，发出交流电通过整流器变为直流电，电路中恒定直流电压通过逆变器调节其振幅和频率，将直流电逆变成变频调压交流电，供给交流牵引电动机。
中国的内燃机车主要电传动机车，其中，东风系列国产的主要产品。早期的东风机车东风3以前，都是直-直系统，从DF4开始，机车传动系统改成交-直系统。大连机车厂是主要的生产厂家，其它厂家资阳厂，四方厂，唐山机车厂，和大同机车厂都参与东风系列机车的生产制造，到2007年，东风系列共生产了一万多台。
2007年后，中国开始与美国GE和EMD(原美国GM）公司合作共同生产制造大功率内燃机车，中国内燃机车生产制造的水平迅速提高。这些大功率机车都用现代交-直-交技术，到今天，近2000台大功率机车已生产。同时有自主产权的新型现代机车正在试行。
液力传动柴油机车（Diesel-Hydraulic），使用液力变扭器（torque-converter），用液力把內燃机的动力传到轮对上。液力变扭器主要有三个部分：离心式油泵，涡轮及中间固定导论。离心式油泵和內燃机曲轴相连，当内燃机转动时，离心式油泵随之转动，把传动液通过导论泵向涡轮，涡轮被传动液冲击带动而旋转，涡轮连接齿轮箱，驱动轮对。这和自动挡汽车的传动方式类似。
液力传动的内燃机车结构较电传动机车简洁，重量轻，不像电力传动机车同时需要发电机，整流柜／逆变器和电动机等部件。即在同样的机车重量下，液传机车的功率一般都比电传机车大。以中国的东方红3型（液传机车）和东风型（电传机车）为例，东方红3型重量为92吨，功率达1980kW；而东风型车重126吨（电传动），功率仅1500kW。而且液力传机车不需要消耗电传机车电机设备，制造成本较低。然而在同等功率下，液力传动的机车，耗油量要高出10~20%，经济性较差。
当液力机车起动和低速运行时，变扭器中的涡轮转速很低，传动油对涡轮叶片的压力就很大，从而满足机车起动时牵引力大的需求；当涡轮的转速随着机车运行速度提高而加快时，传动液对涡轮叶片的压力也逐渐减小，正好满足机车高速运行时对牵引力小的需求。在特定的负载条件下，液传机车的功率传递效率比电传机车略高。全负载情况下，液传的效率稍高于电传；半负载情况下，液传效率会进一步提升，而电传效率会进一步下降。功率越小，液力传动的优势就越明显，功率越大液力传动效率越低，依靠提高泵轮转速推高功率使变扭器发出高热，造成能量流失，这时电力传动更有优势。
NY6，NY7型柴油机车是西德亨舍尔（Henschel Werke）公司于1970年代为中国铁路设计制造的液力传动柴油机车车。该型机车是采用双机组设计的干线货运机车，设有两套相同而又互相独立的动力传动机组，机车最大速度为120公里/小时，机车名义功率为4600马力，最大运用功率为4300马力。NY7发动机功率略大一点，5000马力。
液力传动柴油机车的功率难以提升，因为液力传动装置受到泵轮、变扭器箱体金属强度的限制，只能有限度承受并传递非常巨大的液压力。至2006年，德国福伊特公司才研制出世界上首台功率达5000马力的液传内燃机车Voith Maxima 40cc（德语：Voith Maxima），但电传机车早在十几年前已达到同功率级别。早期的液传机车技术未成熟，故障率稍高。但液力变扭器传动装置本身没有磨耗零件，只要金属质量、精度达标，机车可靠性可以相当高，保养也更便捷。
在铁路发展方向为重载和高速的国家，如中国和北美洲，大部分的柴油機車都是採用電力傳動，这是因为液传机车无法发展为单机大功率内燃机车。而在日本和欧洲，尤其是德国，以电力为主要牵引动力，客车普遍使用高速列车，内燃机车居于次要的位置，大多用于中速轻载或调车作业，对功率要求不高，而液传机车正拥有中低速牵引力较大的特点，所以这些国家的柴油机车主要为液力傳動。
中国的液力传动内燃机车，也有过不凡的历史，北京二七机车车辆厂，1970年曾设计过6000马力的液力传动内燃机车，实质上是双发动机和双液力传动系统。由于质量问题，试运不久就下线了。接着该厂又研发了2700马力的液力传动内燃机车，主要用在客运。经过数年的努力，终于在1975年定型批量生产。1975-1990年间，该机车在中国扮演重要的客运角色。1991年，国内产业政策规定电传动内燃机为主，该厂液力传动产品逐年减少，直到2017年，这个近百年历史的老厂终于关闭。
内燃机车的是个老产品，但内燃机车在世界范围内还是广泛的应用，包括美国在内的发达国家，内燃机车还是货运的主力。大功率机车，多机串联的牵引方式，还在应用。
1990年代开始，柴油机的电子控制技术（微处理器应用）得到了较大的发展。发动机的电子控制技术改善了柴油机和机车的性能。以2009年美国联合太平洋铁路公司与EMD公司合作生产的内燃机车（SD32ECO or SD59MX ）为例，
电子喷油器，改善燃烧性能，降低油耗(减少25%燃油和50%的润滑油），改进发牵引性能（优化轮轨粘着力，避免轮对打滑），改进故障诊断（随车诊断）和维护（维修周期由92天延长到182天）。 引入了废气回用EGR（Exhaust gas Recirculation), 柴油氧化催化器DOC (Diesel Oxidation Catalyste)柴油颗粒滤清器DPF（Diesel Particulate Filter)排放处理技术，能够减少45%氧化氮（NOx) 和 85%的PM排放。该型机车基本上能够达到美国环保署制定的等级4（Tier 4）排放标准。低排放的内燃机车是内燃机车发展的方向之一。
双动力源铁路机车（electro-diesel locomotive）是指牵引电机的电源，既可以使用车载的柴油发电机组作为动力源，又可以从供电系统通过车顶的电弓获得电能。虽然双动力源，但机车共用牵引电机。
同时结合了电力机车和电力传动内燃机车的特点。当车辆在电气化铁路上运行时可采用电力模式，当机车运行到非电气化铁路上时可以切换到内燃模式，实现电气化铁路和非电气化铁路间不停车的连续运行，具有缩短列车运行时间、扩大机车车辆运行范围、提高机车车辆运用效率等优点。
当然，双动力源机车的设计，根据线路和具体情况分三类，电力机车为主柴油机为辅，柴油机为主电力供电为辅，柴油动力和供电均分。美国GE Genesis 系列双动力源机车就是以柴油机为主。（P32AC-DM, EMD DM30AC)
混合动力铁路机车（hybrids locomotive)，混合动力铁路车辆的特点是具有可充电储能装置，可利用柴油发电机组、大容量蓄电池组单独或两者混合提供动力，不用电气化铁路供电系统获得外部电源。
现代内燃机车用柴油机作为动力源。1960年代末期，燃汽轮机做为动力源的内燃机车，也称为燃气轮机车（TurboTrain)，曾有过短暂的客运历史，在高速客运一章中，将会交详细介绍。
