父子俩还在不断努力。儿子罗伯特·斯蒂芬孙于1841年研制成了“长锅炉”号机车，也是在锅炉胴体下安装了三根轮轴：一根承重轴和两根驱动轴。与“专利获得者”号相比，这辆机车的烟管长度从前者的2.75米增加到4米，从而大大减少了热能的损失。但机车的前后轮的距离却因为要适合已有的铁路和众多的转车盘而没有变化。
受“长锅炉”号机车的启发，英国人托马斯·拉塞尔·克兰普顿根据自己研究出来的原理，决心制造出一台高速机车，并能克服“长锅炉”号的不足，即因火箱安装在悬臂梁上而降低了机车的稳定性。克兰普顿把一对动轮移到火箱下方，而在锅炉胴体下方仅保留两对车轮。这样，1846年在比利时列日—那慕尔铁路线上，当他造出的克兰普顿机车投入运行时，就轻而易举地达到了100千米的时速。到1848年，应伦敦西北铁路公司的要求，他为伦敦—沃尔弗顿铁路线设计制造了一台超大型机车，时速达到了127千米。但遗憾的是，这台高速机车因很容易引起钢轨的疲劳而在运行不久就被迫“退役”。尽管如此，克兰普顿还是在欧洲大陆取得了巨大的成功。比利时把引进的两台原型克兰普顿机车作为样机，造出了多台蒸汽机车。在法国，克兰普顿机车曾经称霸于整个第二帝国时期，只是在后来出现了更大功率的机车之后，它才被逐渐淘汰。
此后，高速载重机车的制造便成了人们追求的重要目标。当时人们总认为高速机车的大直径车轮是不能互相联接的，因为这样会带来巨大的危险。法国人维克托·福尔格诺从1862年开始研究这一问题，终于找到了解决办法。他在轴箱里设计了一些倾斜平面，以便使前轴在铁路拐弯时产生位移，而在直线段恢复正常位置，这有效地避免了连杆和曲拐销发生断裂的危险。1864年，他制造出世界上第一台装有两副联动驱动轮对的高速机车。几年之后，福尔格诺又在火箱后方加装了一组承力轮对。这样，福尔格诺机车便获得了空前的成功。到1885年，行驶在各大铁路公司所属干线上的福尔格诺机车，已经有好几百辆了，尤其在法国西南部的巴黎—波尔多干线上，这种机车使列车达到了史无前例的高速度。
1875年，法国人阿纳托尔·马莱为巴约涔—比亚里茨铁路支线研制成世界上首批复胀蒸汽机车，这是一种适宜于低速行驶的牵引机车，根据双缸式蒸汽机的原理进行工作，具有更好的热效率。1881年，英国人韦布将马莱的这一成就用于高速机车，同样取得了成功。韦布的这辆“试验”号机车运行平稳，速度为每小时80千米～90千米，而耗煤量却比传统的机车降低了20%，达到了节约能量消耗的效果。
同时，提高蒸汽机车的功率和速度的研究在20世纪之初取得了可喜的成绩。1905年，人们在1872年就首次在美国密苏里太平洋铁路线上运营的“太平洋”号机车上，进行了重大改进，使它所产生的功率达到2200马力，机车的运行速度又有了很大的提高。
大约在1900年前后，一种叫做“大西洋”号的新型蒸汽机车出现在美国费城—大西洋城之间的铁路线上。之后，人们又不断对它加以改进。从1901年开始，欧洲各国开始采用这种功率为1500马力的机车，虽然在1905年，2200马力的“太平洋”号机车对它造成了很大冲击，但它还是赢得了巨大成功。在第二次世界大战前夕，法国巴黎—里昂—马赛铁路公司对它进行了流线型化改装，然后在巴黎—尼斯高速铁路线上继续运营。
在19世纪末，随着电气化技术的迅猛发展，电力得到了大规模的应用，把电力应用于机车的探索及铁路电气化也取得了令人瞩目的成就。世界上第一台电力机车是1895年在美国巴尔的摩—俄亥俄铁路线上开始运营的，这台机车重96吨，采用550伏特的直流电源供电。1901年，法国巴黎—残老军人院铁路线实现了电气化。第二年，这条电气化铁路延长到了凡尔赛。1903年，巴黎市郊奥尔赛—巴黎—奥斯特利茨—儒维西铁路线也实现了电气化。在德国的措森—马林费尔德铁路上，一台电动机车于1902年就首次达到了200千米的时速。但是，由于电气化技术尚处于它的初级阶段，受到电厂功率和远距离输电技术的制约，铁路电气化并没有以理想的状态发展起来，人们仍在机车的制造上孜孜求索。
1912年，瑞士一家工厂制造出了世界上第一台柴油机车，这就是内燃机车，功率为1200马力，显然无法和当时的大功率蒸汽机车相比。在此之前，“汽车之父”——德国人戴姆勒已经造出了一辆柴油轨道车。只是当人们发现了将发动机和轮轴之间的机械传动改为电力传动的技术之后，传动更加猛烈的柴油机才被应用于列车的牵引。同年，由“大西洋”号原型机车改进而来的“大山”号蒸汽机车在美国正式投入运营，这是一种大功率高速机车，其功率为2700马力，自重112吨。从1930年起，“大山”号的多种改进型机车功率已达3200马力。在这期间，日本作为后起的工业化国家，也在机车制造上做出了优异成绩，其中的2-8-2日本天皇型机车，就是最优秀的货运机车。
铁轨的历史
最早的路轨并不是铁轨，也不是木轨。早在木轨之前，就出现了石轨。因为据史书记载，古代一些文明国家里，人们已经在道路上用石头砌出车辙，引导车轮前进。这种石轨直到中世纪才被逐渐废弃。而在1550年的史料中却发现了这样的记载，在法国阿尔萨斯地区勒贝尔塔尔煤矿使用木梁作矿车轨道。而在17世纪，木轨则被广泛应用于英国各地的煤矿之中。直到1738年，在英国的怀特黑文出现了钉有加强铁皮的木梁轨道。
世界上最早的铁轨是在1763年～1768年间安装在英国霍斯贝和科尔布鲁克代尔之间的，据说这是英国工业家、一家铁厂主亚伯拉罕·达比的女婿理查德·雷诺兹的杰作。但是，它不同于我们今天所使用的铁轨，而是一种用来承受无轮缘车轮的凹形铸铁铁轨。
这一系列的车辆导轨系统演变的必然结果，就是制造出我们现在使用的凸形铁轨，它是英国人杰索普于1785年设计的。之后，凸形铁轨又经过不断改进而日臻完善。到1820年，约翰·伯金肖制造出了锻铁轨。当普遍采用了蒸汽机车之后，锻铁轨就让位于钢轨了。还应注意的是，我们现在多条线路交汇处使用的活动道岔技术也是杰索普的发明。在1665年前后，人们曾在凹形铁轨上使用过多种固定式交汇设备，这是由木轨交汇设备——转车盘演变而来的。到1789年，杰索普发明了活动道岔设备，后来人们又在道岔手柄上加一配重，这使列车通过时，扳道员不必始终紧紧扳住手柄了。
在铁路建设史上，值得回味的还有这样两种铁路。一种是大气压力铁路，一种是有齿铁路。前者的原理是由丹麦人梅德赫斯特1827年提出来的，他设想以大气压力作为车辆的原动力。为此，他曾亲自试制了一条管道大气压力铁路，由于无法解决管道的密封和拉杆移动之间的矛盾而未获成功。1835年，英国人平卡斯首次进行了气压列车试验。1843年，冰岛人克莱格和萨曼达在冰岛修建了一条大气压力客运线路，但却从未完成过一次正常的客运任务。1847年，在法国巴黎建起一条长2200米的气压铁路，但因其高差竟达51米，尤其是经济效益极差而于1859年被迫关闭。气压铁路的探索便由此画上了句号。
有齿铁路是瑞士人里金巴赫为了适应坡度大于6%地段的火车运行而于1862年设计的，它受到了布伦金索普机车行走系统的启发。1868年，在修建美国华盛顿山铁路时，为使火车能爬上30%的坡路（即每米上升330毫米），西尔威斯特·马什采用了里金巴赫的设计。1870年，在瑞士里格伊开通了欧洲第一条有齿铁路。中间经过一系列的改进和完善，终于在1899年完成了世界上海拔最高的有齿铁路——瑞士少女峰铁路，其坡度之大，每米竟上升480毫米。后来，人们多用穿凿隧道或挖平路基的方法尽可能保护轨道的水平，便不再使用有齿铁路技术。
至今，常用的铁路仍然是杰索普的凸形铁轨（钢轨），或是它的各种更完备的改进形式而已。
不同用途的火车型式
现在让我们来看看根据列车的不同用途而形成的火车的几种型式。
从1832年起，就在奥地利林茨—布德魏斯铁路线上运行着一辆可以称为世界上最古老的铁路客运车辆。它是由弗兰茨·安东·冯·格斯特纳设计的，共有四只轮子，车体形状好像一辆驿站快车（马车），车上有两个车夫座位，一个在前，一个在后，以便从两头驾驭。实际上这并不是客运火车，不过是一种行走在轨道上的马车而已。但是，现在的客运火车正是由此演变而来的。
与此相关的还有通常被称为“铁路公共汽车”的轻型铁路客运车辆——“米许林娜”号，它是由法国米许林公司于1931年对传统铁路车辆的重大改进后而推出的一种铁路客车。它的特点是：因使用气压轮胎，乘客可免受车轮通过轨缝时产生的振动之苦；另外，它还轻便灵活，和传统的重型客车相比，它更适合于在启停频繁的铁路支线上运行，并且费用低廉。
客运火车上的卧铺车最早是在1836年开始在美国使用的。当时，在佐治亚州亚特兰大—奥古斯特线上运行的卧铺车有三张卧铺，白天行车时，可用做沙发。到1864年，乔治·M·普尔曼设计出了一种新型卧铺车。当时，这种以它的设计者的名字命名的卧铺车因乘坐舒适而闻名遐迩。1871年，比利时工程师乔治·内格尔麦克尔就组建了第一家国际卧铺车公司。
在现在的客运火车上，除了都有卧铺车厢外，同时还有餐车车厢。餐车最早出现于1840年的美国铁路线上，是专门为具有中间通道的旅客列车设计的。那时的客车，除了卧铺车厢和餐车厢，还有妇女专用车厢和黑人及吸烟者车厢。在1860年，与敖德萨—基辅线相连的沙俄皇家铁路线上添置了内部陈设豪华舒适的专用餐车。车内有可供16名客人用餐的餐桌，厨房里装有煤炉和贮存食物的冰柜。第一家国际卧铺车公司也于1871年之后为他们的列车加挂了餐车。1883年，在巴黎和维也纳之间正式开通了一列“东方特别快车”，里面有精美的餐车和卧铺车，硬座也很舒适，堪称世界上第一列豪华列车。
客运火车当然是很重要的，但对国民经济发展有重大影响的还有铁路货运。铁路的这一经济应用最早兴起于1801年的英国，当时的铁路马车，有固定的运价表。运费还会因货物不同而变化。在1826～1830年间，被称为“铁路之父”的乔治·斯蒂芬孙就是为了进行铁路货运才修建利物浦—曼彻斯特的铁路线的，那时几乎所有的富商都投入了一定的股份。在1825年，出现了一种货运平车，为防止车上的货物潮湿，人们在车上覆盖防水篷布。到1830年，运载家畜的运输车（简称“家畜车”）开始运营，大的家畜车为单层平车，两侧用栅栏状挡板。直到1844年，英国才开始使用铁皮篷车。而和现代货车相类似的铁路货运列车是在1848年才出现的。当然，现在的货车适应运送不同的货物（如煤、石油、木材及其他轻工产品或重化工产品等）而建成不同的形状，正因为有了各种各样的货运列车，我们的经济资源、生活用品才能在东西南北各地互通有无、自由流转。
随着各种车型的不断出现，火车自身的功能适用性的日益广泛，铁路运输事业得到了迅速的发展，铁路建设亦是迅猛进行。到19世纪末，世界铁路已达65万千米长，到20世纪20年代，更多达127万千米。至此，世界各发达国的铁路网已基本建成，并已成为资本主义工业发展的大动脉。这时，无论古老的还是新开的运河，无论弯曲的乡间小道还是马车道，都不得不为这工业化洪流的前锋浪潮让道或被它跨越。从此，火车和铁路就开始把全球范围的人和物卷入商品生产和工业化的世界浪潮之中了。