內燃機車和電力機車都誕生於19世紀末。內燃機車的工作原理是：讓柴油或煤氣燃料在汽缸裏燃燒，利用燃燒時產生的溫度高和壓力大的氣體去推動活塞，帶動車輪前進。而電力機車則利用電力，通過電動使車輪轉動起來。
這兩種機車比蒸汽機車先進多了。內燃機車可把燃料的28％用於轉動車輪，這比蒸汽機車隻用上7％的燃料高出了3倍，加足了油和少量水，一口氣就可以跑上1000多千米。雖然內燃機車本身的造價是相同馬力的蒸汽機車的2倍，可運行費用僅是蒸汽機車的40％左右，而且鐵路沿線的輔助設施較少，所以總的維修費用也較低。在國外，特別是美國，幾乎都采用柴油機車，並且大部分是由柴油發動機驅動發電機，用產生的電力再驅動電動機使機車行駛。采用這種傳動方式的機車，叫做電傳動柴油機車。在英國，倫敦與愛丁堡之間行駛的電傳動柴油機車德爾奇克號，牽引1500噸的列車時速可達160千米以上。世界上柴油機車的先鋒是德國，早在1937年，飛行漢堡號就已達到時速187千米的高速。在日本，由於石油要靠進口，柴油機車數量並不多。在我國，內燃機車已成為鐵路運輸的主力。總之，在經濟性和高速化方麵，柴油機車有著很大優勢。
柴油機的發明者是德國人叫魯道夫·狄塞爾。他到美國推銷他發明的柴油機，美國通用電器公司一位叫蘭普的技術人員，試用德國人的柴油機組裝了一台電傳動的內燃機車。這是世界上第一台用柴油機作動力的機車，是內燃機車電傳動原理的第一次應用，是現代內燃機車的鼻祖。內燃機車雖然有不少優點，但目前內燃機的單機功率還不如電力機車的電機功率大。如果鐵路要翻山越嶺，有些路段坡度較大，這時內燃機車就有些“力不從心”，要改用電力機車了。我國的寶成鐵路，經過秦嶺的一段路山勢陡險，行駛的就是由我國自製的電力機車。
電力機車有直流、交流兩種。機車內裝有電動機，利用電力使車輪轉動起來。它的機械構造比內燃機車簡單，購買、保養的價格都較低，而且功率大。它的工作效率很高，沒有汙染。在電力資源較豐富的國家，如日本，電力機車就占絕對優勢。用煤作一次能源，進行火力發電，有30％的熱能可以轉變為電能，而電力輸送及電機工作的效率都很高，所以電力機車的能量利用率較高，遠遠大於蒸汽機車隻有7％的利用率，因此，應用電力機車可節約能源。但電氣化的鐵路沿線要設置變電所、電網，這些設備要花很多錢。所以，在運輸繁忙的幹線上，電力機車較為適用，而在運輸不忙的支線上，使用內燃機車更為經濟、合理。
世界上最早實現鐵路電氣化的國家是多山地的瑞士。而電氣化鐵路線路最長的國家是蘇聯。到1983年，蘇聯的電氣化鐵路有46826千米，占全世界的271％，占全蘇聯鐵路的326％。電氣化鐵路線路在1萬千米以上的國家還有日本（14438千米）、德國（11553千米）、法國（10335千米）。
我國也在積極建設電氣化鐵路，如隴海路（蘭州——連雲港）、寶成路（寶雞——成都）、鄭武路（鄭州——武漢）、大秦路（大同——秦皇島）、豐沙大路（豐台——沙城——大同）等，都已電氣化了。隨著社會主義事業的不斷發展，鐵路電氣化會越來越普及。