Es gibt drei große Klassen von Schienenfahrzeugen, die Dieselmotoren als Antriebsaggregate verwenden:
1. Der leichte Personentriebwagen oder Schienenbus (bis zu 200 PS), der in der Regel vierrädrig ist und über ein mechanisches Getriebe verfügt. Er kann zum Ziehen eines leichten Anhängers ausgelegt sein. Der Einsatz solcher Fahrzeuge ist sehr begrenzt.
2. Der vierachsige Personentriebwagen (bis zu 750 PS), der unabhängig betrieben werden kann, einen nicht angetriebenen Anhänger ziehen kann oder zu einem semipermanenten Zugverband, z. B. einem Triebwagenzug mit allen oder einem Teil der Wagen, zusammengestellt werden kann. In den Triebköpfen können der Dieselmotor und alle zugehörigen Traktionsausrüstungen, einschließlich der Kraftstofftanks, unter den Boden eingebaut werden, um über den Rahmen Platz für die Fahrgastsitze zu schaffen. Der Antrieb erfolgt entweder elektrisch oder hydraulisch. Moderne Triebwagen und Triebwagenzüge sind meist für den Betrieb von Triebzügen ausgerüstet, die von einem einzigen Führerstand aus gesteuert werden.
3. Lokomotiven (10 bis 4.000 PS), die bei sehr geringer Leistung ein mechanisches Getriebe oder bei Leistungen bis zu etwa 2.000 PS ein hydraulisches Getriebe haben können, in den meisten Fällen jedoch ein elektrisches Getriebe, wobei die Wahl von der Leistung und dem Zweck abhängt.
Die erhebliche Steigerung des Leistungsgewichts von Dieselmotoren und der Einsatz von Elektronik in den Steuerungs- und Diagnosesystemen der Komponenten brachten im letzten Viertel des 20. Jahrhunderts erhebliche Fortschritte bei der Effizienz von Diesellokomotiven. Im Jahr 1990 war ein Dieselmotor mit einer Dauerleistung von 3.500 PS bei fast der Hälfte des Gewichts eines ähnlichen Modells von 1970 erhältlich. Gleichzeitig konnte die Kraftstoffeffizienz von Dieselmotoren deutlich verbessert werden.
Die Elektronik hat einen besonders wichtigen Beitrag zur Lastaufnahmefähigkeit dieselelektrischer Lokomotiven im Straßengüterverkehr geleistet, indem sie die Adhäsion beim Anfahren oder beim Steigen verbessert. Eine Lokomotive, die aus dem Stillstand heraus beschleunigt, kann 33 bis 50 Prozent mehr Zugkraft entwickeln, wenn ihre angetriebenen Räder in einen sehr leichten, gleichmäßigen und fein kontrollierten Schlupf „kriechen“ können. In einem typischen „Kriechgang“-System misst ein unter der Lokomotive montierter Doppler-Radar präzise die tatsächliche Geschwindigkeit über Grund, woraufhin Mikroprozessoren die ideale Kriechganggrenze unter den vorherrschenden Gleisbedingungen berechnen und die Stromzufuhr zu den Fahrmotoren automatisch regulieren. Der Prozess ist kontinuierlich, so dass die Stromstärke sofort an eine Änderung der Gleisparameter angepasst wird. In den 1960er Jahren vertraten die Nordamerikaner die Auffassung, dass eine dieselelektrische Lokomotive mit einer Leistung von 3.000 bis 3.600 PS oder mehr sechs motorisierte Achsen haben muss, um eine wirksame Haftung zu gewährleisten: Zwei Eisenbahngesellschaften hatten eine kleine Anzahl von Lokomotiven mit acht motorisierten Achsen erworben, die jeweils von zwei Dieselmotoren mit einer Leistung von 5.000 bis 6.600 PS angetrieben wurden. Seit Mitte der 1980er Jahre sind vierachsige Lokomotiven mit einer Leistung von bis zu 4.000 PS möglich und im schnellen Güterverkehr weit verbreitet (obwohl im schweren Güterverkehr immer noch sechsachsige Lokomotiven bevorzugt wurden). Heutzutage kann eine Leistung von 4.000 PS mit einem 16-Zylinder-Dieselmotor erreicht werden, während in den 1960er Jahren für eine Leistung von 3.600 PS ein 20-Zylinder-Motor erforderlich war. In Verbindung mit der Verringerung der Anzahl der Lokomotiven, die für eine bestimmte Tonnage benötigt werden, weil die Haftung verbessert wurde, war dies ein Schlüsselfaktor für die Senkung der Wartungskosten von Lokomotiven.
Außerhalb Nordamerikas wurde die Produktion von Diesellokomotiven für den Personenzugverkehr in den 1960er Jahren durch die weit verbreitete Elektrifizierung nahezu eingestellt. Die letzte Entwicklung für den Hochgeschwindigkeitsdieselverkehr fand bei der British Railways statt, die für ihre nicht elektrifizierten Hauptstrecken eine semipermanente Zuggarnitur, den InterCity 125, mit einer 2.250 PS starken Lokomotive an jedem Ende von sieben oder acht Zwischenwagen in Serie produzierte. Im Jahr 1987 stellte eine dieser Garnituren einen Geschwindigkeitsweltrekord für Dieseltraktion von 238 km (148 Meilen) pro Stunde auf. Es wird erwartet, dass einige InterCity 125 unter anderen Bezeichnungen bis weit ins 21. Jahrhundert hinein in Betrieb bleiben. In Nordamerika setzen Amtrak in den Vereinigten Staaten und VIA in Kanada sowie einige städtische Nahverkehrsbehörden nach wie vor Diesellokomotiven ausschließlich in Personenzügen ein. Anderswo sind Diesellokomotiven für den Straßenverkehr entweder für den ausschließlichen Güterverkehr oder für den gemischten Personen- und Güterverkehr konzipiert.