机车是机车牵引或推送铁路车辆运行，而本身不装载营业载荷的自推进车辆，俗称火车头。按运送每吨千米消耗燃料量计算，机车是耗能最少的陆地运输工具。它一般由蒸汽机、柴油机、燃气轮机、牵引电动机等动力机械直接或通过传动装置驱动。动力机械使机车动轮产生力矩，同时钢轨又给动轮以大小相等、方向相反的反作用力。各个动轮反作用力之和称为机车牵引力。这个牵引力是由动轮周上作用力而产生的切向外力，所以又称为轮周牵引力。为不使动轮在钢轨上空转，轮周牵引力不应大于动轮与钢轨间的粘着力（摩擦阻力），即不应大于机车的粘着重量（机车所有动轮作用于钢轨上的垂直重量）与粘着系数（机车动轮不空转时的最大轮周牵引力与粘着重量之比）的乘积。
世界上最早出现的机车是蒸汽机车，以后又出现电力机车、柴油机车、燃气轮机车。
一、蒸汽机车发展过程
1803年英国的特里维西克制造出第一台在轨道上行驶的蒸汽机车。1814年英国的斯蒂芬森制造出一台5吨重的“皮靴”号蒸汽机车，被认为第一台成功的机车。但真正在铁路上使用并为现代蒸汽机车奠定基础的是以斯蒂芬森和其子斯蒂芬森为主要设计者建造的、并于1829年在比赛中获奖的“火箭”号蒸汽机车。它行驶速度达58千米/时，创造了当时地面行驶车辆的最高速度。1831年美国土木工程师杰维斯首次在机车前部试装一引导转向架，使机车能够在弯道上安全行驶。1836年美国坎贝尔设计一台2轴引导转向架2轴联动的机车。但这一设计并不成功，直到同时代的机械工程师哈里森进行了加装车轴均衡机构的改进后，才成为完善的机车。不久这辆机车便成为美国的标准型机车，并命名为“美国人”型机车，被广泛应用到19世纪90年代。该型999号机车于1893年创造了181千米/时的最高速度。为了提高饱和蒸汽的利用率、加大机车的牵引力，并能更好地通过弯道，1888年瑞士造出第一台关节复胀机车，由工程师马勒设计，称马勒型机车。1904年美国引进并在山区使用了马勒型机车，后改为单胀式，制造出最大的蒸汽机车2-4-4-2型。
进入20世纪，采用过热蒸汽的蒸汽机车迅速推广，这时的机车已向大蒸发量、大尺寸、大锅炉的大型化发展。
中国于1881年制出自己的第一台蒸汽机车“中国火箭”号，运行于唐山-胥各庄铁路。
蒸汽机车虽经100多年的发展，但运用热效率只有6％左右，加上保养维修量大、污染严重、日运行里程短，逐渐被热效率高、运用率高的电力机车和柴油机车取代。
美国于1960年，英国于1968年，法国于1972年，日本于1975年，联邦德国和前苏联均于1977年相继停止使用蒸汽机车。
二、电力机车发展过程
1835年荷兰的斯特拉廷和贝克尔两人试制以电池供电的2轴小型铁路电力机车。1842年苏格兰的戴维森制造出一台由40组电池供电的标准轨距的电力机车。1879年德国的西门子设计制造了一辆小型电力机车，电源由机车外部的150伏直流发电机供给，并通过两轨道和其中间的第三轨道向机车输入，电力机车首次成功行驶。1890年英国伦敦首次用电力机车在5.6千米长的一段地下铁道上牵引车辆。1895年美国的巴尔的摩铁路隧道区段采用的干线电力机车，功率为1070千瓦。20世纪初欧洲有几个国家曾建成几段以三相交流电供电的电气化铁路。20世纪初，电力牵引的优越性已被公认，到20年代末几乎每个欧洲国家都已有占不同比例的电气化铁路。因三相交流供电系统和机车变流装置复杂，电力机车逐渐趋向采用工频单向交流电。20世纪50年代以后，随着大功率汞弧整流器和引燃管整流器的出现，特别是硅二极管整流器的出现，促进了采用工频交流电的电力机车的发展。20世纪70年代以来，干线电力机车向大功率、高速度、耐用方向发展。客运电力机车的速度已从每小时160千米提高到200千米。中国1958年制成第一辆以引燃管整流的“韶山”型电力机车。1968年改用硅整流器成功，制成“韶山”1型电力机车。
三、柴油机车发展过程
在柴油机车出现之前，1906年美国制造出电力传动的汽油动车（本身装载营业载荷的自推进车辆）。1913年瑞典制造出电力传动的柴油动车，这些动车与柴油机车的构造类似。1924年前苏联用一台735千瓦潜水艇柴油机制成一辆电力传动的柴油机车。1923年美国制成220千瓦的电力传动的柴油机车。到20世纪30年代初，柴油机车进入了试用和实用阶段、功率多在1000千瓦以内，主要以调车机车为主。到20世纪30年代后期出现了单节机车多节联挂的干线客运柴油机车。柴油机车的运行表明，它的经济效益比同等功率的蒸汽机车高得多。1945年以后，柴油机车进入大发展的阶段。柴油机上多配装废气涡轮增压系统，功率普遍提高。一般中速柴油机配装直流电力传动装置；高速柴油机除电力传动装置外还配装液力传动装置。20世纪50年代末和60年代初，柴油机车向更大功率（2000千瓦以上）发展，但受到直流电力传动装置的直流牵引发电机的限制，功率难以突破2200千瓦。这时联邦德国制造出安装两台高速柴油机的2940千瓦的液力传动柴油机车。20世纪60年代中期，随着大功率硅整流器的出现，人们制造出不受功率和转速限制的交-直流电力传动、功率为2940千瓦的柴油机车。后来，前苏联制造交-直流电力传动的柴油机车，单个柴油机的功率已达4000千瓦。随着电子技术的发展，联邦德国于20世纪70年代上半期制造出1840千瓦交-直-交电力传动柴油机车。中国东北地区在20世纪30年代曾试用柴油机车，1958年开始制造柴油机车。
四、燃气轮机车发展过程
最早的燃气轮机车是从使用复式燃气轮机开始的。1933年瑞典制成了480千瓦的自由活塞燃气轮机车。1951年法国先后制成735千瓦和1770千瓦自由活塞燃气轮机车。1954年前苏联制造2210千瓦的自由活塞燃气轮机。1941年瑞士首先制造出开式燃气轮机车。20世纪40年代末和50年代，英国、美国、前苏联和捷克斯洛伐克先后制造出不同功率的开式燃气轮机车。