Der er tre brede klasser af jernbanemateriel, der bruger dieselmotorer som drivkraft:
1. Den lette personvogn eller jernbanebus (op til 200 hestekræfter), som normalt er firehjulet og har mekanisk transmission. Den kan være konstrueret til at trække en let påhængsvogn. Anvendelsen af sådanne køretøjer er meget begrænset.
2. Den fireakslede passagervogn (op til 750 hestekræfter), som kan køre uafhængigt, trække en ikke-motoriseret påhængsvogn eller indgå i et halvpermanent togsæt, f.eks. et motorvogntog, hvor alle eller en del af vognene er motoriserede. I de motordrevne vogne kan dieselmotoren og alt tilhørende trækkraftudstyr, herunder brændstoftanke, monteres under gulvet, så der frigøres plads over rammene til passagerpladser. Transmissionen er enten elektrisk eller hydraulisk. Moderne togvogne og togsæt af togvogne er for det meste udstyret til togdrift med flere enheder, hvor kørslen styres fra et enkelt førerhus.
3. Lokomotiver (10 til 4.000 hestekræfter), som kan have mekanisk transmission, hvis de har meget lav effekt, eller hydraulisk transmission for ydelser på op til ca. 2.000 hestekræfter, men i de fleste tilfælde har elektrisk transmission, idet valget afhænger af effekt og formål.
En væsentlig forøgelse af dieselmotorernes effekt/vægt-forhold og anvendelsen af elektronik til komponentstyring og diagnosesystemer har medført betydelige fremskridt i diesellokomotivers effektivitet i sidste fjerdedel af det 20. århundrede. I 1990 var en dieselmotor med en kontinuerlig effekt på 3.500 hestekræfter tilgængelig med næsten halvdelen af vægten i forhold til en tilsvarende model i 1970. Samtidig blev dieselmotorernes brændstofeffektivitet forbedret betydeligt.
Elektronikken har ydet et særligt vigtigt bidrag til de dieselelektriske lokomotivers lasteevne i vejgodstrafikken ved at forbedre vedhæftningen ved start eller ved stigninger i stigninger. Et lokomotiv, der accelererer fra hvile, kan udvikle fra 33 til 50 % mere trækkraft, hvis dets drevne hjul får lov til at “krybe” ind i et meget let, jævnt og fint kontrolleret slip. I et typisk “krybekontrolsystem” måler Doppler-radaren, der er monteret under lokomotivet, nøjagtigt den faktiske hastighed på jorden, hvorefter mikroprocessorer beregner den ideelle grænse for krybehastighed under de fremherskende sporforhold og automatisk regulerer strømforsyningen til trækkraftenhederne. Processen er kontinuerlig, således at strømniveauet straks tilpasses til en ændring af sporparametrene. I 1960’erne mente nordamerikanerne, at et dieselelektrisk lokomotiv på 3.000-3.600 hestekræfter eller mere skal have seks motoriserede aksler for at opnå en effektiv vedhæftning: to jernbaner havde anskaffet et lille antal lokomotiver med otte motoriserede aksler, hver drevet af to dieselmotorer, med en effekt på 5.000-6.600 hestekræfter. Siden midten af 1980’erne er fireakslede lokomotiver med op til 4 000 hestekræfter blevet mulige og anvendes i vid udstrækning i hurtig godstrafik (til tung godstrafik foretrækkes dog stadig seksakslede lokomotiver til tung godstrafik). Men i dag kan man opnå 4 000 hestekræfter med en 16-cylindret dieselmotor, mens man i 1960’erne for at opnå 3 600 hestekræfter skulle bruge en 20-cylindret motor for at opnå en effekt på 3 600 hestekræfter. Dette har sammen med det reducerede antal lokomotiver, der er nødvendigt for at transportere en given tonnage på grund af den forbedrede vedhæftning, været en afgørende faktor for de faldende vedligeholdelsesomkostninger for lokomotiver.
Uden for Nordamerika ophørte den udbredte elektrificering i 1960’erne næsten helt med produktionen af diesellokomotiver, der var beregnet til transport af passagertog. Den sidste udvikling inden for højhastighedsdieseldrift fandt sted hos British Railways, som til sine ikke-elektrificerede hovedstrækninger masseproducerede et semipermanent togsæt, InterCity 125, med et 2.250-hestes lokomotiv i hver ende af syv eller otte mellemliggende vogne. I 1987 satte et af disse togsæt en verdensrekord i hastighed for dieseltraktion på 238 km i timen. Nogle InterCity 125-togsæt forventes at forblive i drift under forskellige andre betegnelser indtil langt ind i det 21. århundrede. I Nordamerika anvender Amtrak i USA og VIA i Canada samt nogle bytrafikmyndigheder stadig udelukkende diesellokomotiver i passagertog. Andre steder er diesellokomotiver til vejtransport enten konstrueret til udelukkende godstransport eller til blandet passager- og godstransport.