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。
坎坷的中国火车史
中国铁路运输事业的命运可以说是与中国近现代历史的风云演变密切相关的。
当1865年英国人杜兰德在北京修建一段1千米长的铁路试跑小火车时，清政府以“观者惊骇”为由，下令限期拆除。1876年，清政府官员以20万两银子买下英国人在上海和吴淞口之间修建的20千米长的窄轨铁路，拆除后，在一端车站建了一座天妃宫。但是，中国近代工业的发展还是冲破了封建朝廷的阻挠，顽强地推动着中国的铁路运输事业的发展。1878年之后，开滦煤矿的大规模开采迫使清政府同意修筑一条从唐山到胥各庄的10千米铁路。同时，由唐山制造厂利用进口材料制造了第一辆实用的牵引力为100吨的“龙”号机车。这条铁路持续运行下来，并在1911年清朝灭亡前连通了沈阳和北京。在1895年～1911年间，中国的铁路建设发展很快，平均每年兴修铁路500多千米。1905年，还开通了郑州黄河铁路大桥、著名的京沈（北京—沈阳）路、京汉（北京—汉口）路、津浦（天津—南京）路、沪宁（上海—南京）路、哈大（哈尔滨—大连）路等干线已经开通。但是，中国人当时只有7%的铁路控制权，其余全部由外国人占有。但无论如何，这促使中国的铁路机车和车辆制造业发展起来。著名的唐山制造厂、南口车辆厂，及长辛店、郑州、汉口、天津、上海、大连、哈尔滨等地的机车厂都为旧中国的火车制造立下了汗马功劳。当时，中国著名的铁路工程师詹天佑凭着中国人的聪明才智独立完成了京沈线上滦河大铁桥的修建和京张（北京—张家口）线上青龙桥东沟处“人”形爬坡路线的艰巨修筑工程，沉重地打击了外国人的傲慢和嚣张气焰。之后，中华民族的反帝反封建的革命运动就与铁路结下了不解之缘。
令人难忘的是，自1881年中国第一台蒸汽机车“龙”号从唐山制造厂开出后，中国就逐渐成为世界上最大的蒸汽机车生产国家。1959年，湘潭电机厂为宝成（宝鸡—成都）铁路制出第一台电力机车“韶山”号，及1958年大连机车厂4000马力“巨龙”号内燃机车的诞生，也使中国铁路的电气化和内燃机车化悄悄开始了。1988年9月30日，当中国制造的最后一辆铁路蒸汽机车隆隆地驶出了当时世界上惟一大批量生产蒸汽机车的大同机车厂时，世界也最终结束了蒸汽机车时代。现在的火车已多是内燃机车和电力机车。同时，新中国以空前的速度和规模修筑了铁路。1949年，中国的铁路只有2.2万千米。到1990年初，已增至5万千米。1996年9月，建成通车的京九铁路成为京广路之外的又一条南北大动脉，极大地促进了我国经济的发展。而自1975年宝成铁路最先实现电气化，及80年代中国第一条重载单元双线电气化铁路——大秦（大同—秦皇岛）铁路开通之后，中国的电气化铁路就开始了自己的历史，蒸汽机车时代的结束更是将铁路的电气化和电动机车的完善推到了新中国火车历史的最前沿。面对世界火车高速化潮流的挑战，我国也在“八五”期间开始研制时速为160千米的准高速列车，并于1995年在广州和深圳线正式运营。目前，正在研制中的是用于将来京沪高速铁路上的时速为250千米的高速列车。
火车的现在和未来
发展高速火车自20世纪60年代以来一直是世界各国实现铁路现代化的一个重要标志，同时也成为发达国家缓解公路、水运和空中交通运输的一个现实选择。可以说，高速铁道系统建设和发展把火车运输引进了一个新的黄金时代。
我们知道，国际上将火车时速为160千米的铁路称为准高速铁路，将200千米～300千米时速的铁路称为高速铁路，时速超过400千米的铁路叫做超高速铁路。以此标准来看，1964年，日本率先将火车时速提高到210千米，从而揭开了世界高速铁路的帷幕。在短短的30多年时间里，崭露头角的高速铁路在世界范围内获得了令人瞩目的进展，已有近10个国家的火车时速超过了200千米。其中法国GEC阿尔斯通公司从1967年～1981年正式投入运行的T·G·V高速列车堪称当今世界上跑得最快的火车，又叫“大公快车”。
这列火车经过五六年的研制，于1972～1978年间通过运行试验，1981年10月正式在巴黎—里昂干线上运营。这是一种经过精心设计和彻底改进的传统电力牵引列车，车上共有12台马达。和常规火车相比，它的运行阻力减小了1/3，它的大功率动力装置具有较强的爬坡能力，可以高速爬上35%的陡坡，也可以在坡路上起动，但是仍然使用普通的铁轨线路。在1981年2月的试行中，它的时速创当时380千米的最高纪录。据报道，T·G·V高速火车经过进一步完善，在大西洋干线上的平均时速为300千米，而最快时速则超过515.3千米，已经进入超高速火车的行列。
另外，德国的ICE（城市间特快）时速达250千米，瑞典的“X2000”达220千米，英国的HST、意大利的ETR450、ETR500等的时速也都在200～300千米之间。而资格最老的高速火车——日本的“子弹火车”从1964年起在东京—大坂的“新干线”上运行以来，它的时速由210千米提高到了270千米，这条总长达2045千米的铁路网，每年载送容量达2亿7500万人次。所有这些高速火车都采用了众多高新技术，如借鉴了航空技术和计算机技术等，高速火车流线型的车体和风驰电掣般的速度使人感到它们就像一架架地面飞机。欧洲最快的“蓝龙胆”号列车，当车速达150千米时，车上的电脑就自行实现机车控制。
在高速火车中，最引人注目的还有“磁悬浮”列车。它借助于磁力悬浮、导引和驱动列车。
目前，日本和德国分别开发了排斥式电动系统和吸引式电磁系统这两种类型的磁悬浮列车。
排斥式系统利用装在车上的超导磁铁来产生导轨中导电线圈内的电流，形成一种互斥作用，从而使可乘坐44人、重15吨的车辆悬浮15厘米高，使整个列车像一架以导轨为基础的、低飞的飞机，在试验中它曾达到517千米的时速。吸引式系统利用车辆上携带的非超导的铁芯电磁铁与位于导轨侧面的电磁铁相互吸引着向上悬浮，使100吨重的车辆和导轨之间产生1.5厘米的空隙，它在试验中达到400千米～450千米的时速。比较而言，前者在技术上更容易，经济上更便宜，而后者则适于城市交通，且行驶质量较高，感觉更加平稳舒适。为了保证旅客的生命安全，必须建立专用线路，而不能与其他道路交叉。