Il existe trois grandes classes de matériel ferroviaire qui utilisent des moteurs diesel comme moteurs principaux :
1. L’autorail léger pour passagers ou l’autobus ferroviaire (jusqu’à 200 chevaux), qui est généralement à quatre roues et possède une transmission mécanique. Il peut être conçu pour tracter une voiture-remorque légère. L’utilisation de ces véhicules est très limitée.
2. L’autorail pour passagers à quatre essieux (jusqu’à 750 chevaux), qui peut être utilisé de manière indépendante, tracter une remorque non motorisée, ou être formé en une rame semi-permanente telle qu’une unité multiple dont toutes ou une partie des voitures sont motorisées. Dans les voitures motorisées, le moteur diesel et tous les équipements de traction associés, y compris les réservoirs de carburant, peuvent être installés sous le plancher pour libérer l’espace au-dessus des châssis pour les sièges des passagers. La transmission est soit électrique, soit hydraulique. Les wagons modernes et les rames de wagons sont le plus souvent équipés pour l’exploitation de trains à unités multiples, avec commande de conduite à partir d’une seule cabine.
3. Locomotives (10 à 4 000 chevaux), qui peuvent avoir une transmission mécanique si elles sont de très faible puissance ou une transmission hydraulique pour des puissances allant jusqu’à environ 2 000 chevaux, mais qui ont dans la plupart des cas une transmission électrique, le choix dépendant de la puissance et de l’usage.
Une augmentation substantielle des rapports puissance/poids des moteurs diesel et l’application de l’électronique aux systèmes de contrôle et de diagnostic des composants ont apporté des progrès significatifs dans l’efficacité des locomotives diesel dans le dernier quart du 20ème siècle. En 1990, un moteur diesel d’une puissance continue de 3 500 chevaux était disponible pour un poids presque inférieur de moitié à celui d’un modèle similaire en 1970. Dans le même temps, le rendement énergétique des moteurs diesel a été considérablement amélioré.
L’électronique a apporté une contribution particulièrement importante à la capacité de transport de charges des locomotives diesel-électriques dans le transport routier de marchandises, en améliorant l’adhérence au démarrage ou dans la montée des pentes. Une locomotive qui accélère à partir de l’arrêt peut développer de 33 à 50 pour cent de force de traction supplémentaire si ses roues motrices sont autorisées à « ramper » vers un très léger glissement, régulier et finement contrôlé. Dans un système typique de « contrôle de la vitesse lente », un radar Doppler monté sous la locomotive mesure avec précision la vitesse réelle au sol, à partir de laquelle des microprocesseurs calculent la limite idéale de la vitesse lente en fonction de l’état de la voie et régulent automatiquement l’alimentation en courant des moteurs de traction. Ce processus est continu, de sorte que les niveaux de courant sont immédiatement ajustés pour correspondre à un changement des paramètres de la voie. Dans les années 1960, les Nord-Américains considéraient qu’une locomotive diesel-électrique de 3 000 à 3 600 chevaux ou plus devait avoir six essieux moteurs pour une adhérence efficace : deux chemins de fer avaient acquis un petit nombre de locomotives à huit essieux moteurs, chacune alimentée par deux moteurs diesel, d’une puissance de 5 000 à 6 600 chevaux. Depuis le milieu des années 1980, des locomotives à quatre essieux d’une puissance allant jusqu’à 4 000 chevaux sont devenues réalisables et sont largement employées dans le service de fret rapide (bien que pour le fret lourd, les locomotives à six essieux soient toujours préférées). Mais aujourd’hui, une puissance de 4 000 chevaux peut être obtenue avec un moteur diesel de 16 cylindres, alors que dans les années 1960, une puissance de 3 600 chevaux nécessitait un moteur de 20 cylindres. Ce phénomène, associé à la réduction du nombre de locomotives nécessaires pour transporter un tonnage donné en raison de l’amélioration de l’adhérence, a été un facteur clé dans la diminution des coûts d’entretien des locomotives.
En dehors de l’Amérique du Nord, l’électrification généralisée a pratiquement mis fin à la production de locomotives diesel conçues spécialement pour le transport de trains de passagers dans les années 1960. Le dernier développement du service diesel à grande vitesse a eu lieu chez British Railways, qui, pour ses lignes principales non électrifiées, a produit en série une rame semi-permanente, l’InterCity 125, qui avait une locomotive de 2 250 chevaux à chaque extrémité de sept ou huit voitures intermédiaires. En 1987, l’une de ces rames a établi un record mondial de vitesse en traction diesel de 238 km (148 miles) par heure. Certaines rames InterCity 125 devraient rester en service sous d’autres désignations jusqu’à la fin du 21e siècle. En Amérique du Nord, Amtrak aux États-Unis et VIA au Canada, ainsi que certaines autorités de transport en commun urbain, utilisent encore des locomotives diesel exclusivement pour les trains de voyageurs. Ailleurs, les locomotives diesel de transport routier sont conçues soit pour le transport exclusif de marchandises, soit pour le transport mixte de passagers et de marchandises.