Ci sono tre grandi classi di materiale ferroviario che usano motori diesel come motori primi:
1. L’automotrice leggera per passeggeri o l’autobus ferroviario (fino a 200 cavalli), che di solito è a quattro ruote e ha una trasmissione meccanica. Può essere progettato per trasportare un’autovettura leggera con rimorchio. L’uso di tali veicoli è molto limitato.
2. L’automotrice passeggeri a quattro assi (fino a 750 cavalli), che può essere azionata indipendentemente, trainare un rimorchio non motorizzato, o essere formata in un treno semipermanente come un’unità multipla con tutte o una parte delle vetture motorizzate. Nelle carrozze motorizzate il motore diesel e tutte le attrezzature di trazione associate, compresi i serbatoi del carburante, sono in grado di inserirsi sotto il pavimento per liberare spazio sopra i telai per i posti a sedere dei passeggeri. La trasmissione è elettrica o idraulica. Le moderne automotrici e i convogli di automotrici sono per lo più attrezzati per il funzionamento di treni a unità multiple, con controllo di guida da una singola cabina.
3. Locomotive (da 10 a 4.000 cavalli), che possono avere una trasmissione meccanica se di potenza molto bassa o una trasmissione idraulica per potenze fino a circa 2.000 cavalli, ma nella maggior parte dei casi hanno una trasmissione elettrica, la scelta dipende dalla potenza e dallo scopo.
Un sostanziale aumento dei rapporti potenza-peso dei motori diesel e l’applicazione dell’elettronica ai sistemi di controllo e diagnostica dei componenti hanno portato significativi progressi nell’efficienza delle locomotive diesel nell’ultimo quarto del XX secolo. Nel 1990 un motore diesel con una potenza continua di 3.500 cavalli era disponibile a quasi la metà del peso di un modello simile nel 1970. Allo stesso tempo, l’efficienza del carburante dei motori diesel è stata notevolmente migliorata.
L’elettronica ha dato un contributo particolarmente importante alla capacità di carico delle locomotive diesel-elettriche nel lavoro di trasporto merci su strada, migliorando l’aderenza all’avviamento o nella salita di grado. Una locomotiva che accelera da ferma può sviluppare dal 33 al 50 per cento di forza di trazione in più se le sue ruote motorizzate sono autorizzate a “strisciare” in uno slittamento molto leggero, costante e finemente controllato. In un tipico sistema di “controllo dello scorrimento”, un radar Doppler montato sotto la locomotiva misura con precisione la vera velocità al suolo, rispetto alla quale i microprocessori calcolano il limite ideale di velocità di scorrimento nelle condizioni prevalenti del binario e regolano automaticamente l’alimentazione di corrente ai motori di trazione. Il processo è continuo, così che i livelli di corrente sono immediatamente regolati per adattarsi a un cambiamento dei parametri del binario. Negli anni ’60, i nordamericani ritenevano che una locomotiva diesel-elettrica di 3.000-3.600 cavalli o più dovesse avere sei assi motorizzati per un’aderenza efficace: due ferrovie avevano acquistato un piccolo numero di locomotive a otto assi motorizzati, ciascuno alimentato da due motori diesel, con uscite di 5.000-6.600 cavalli. Dalla metà degli anni ’80 le locomotive a quattro assi fino a 4.000 cavalli sono diventate fattibili e sono ampiamente impiegate nel servizio merci veloce (anche se per il servizio merci pesante le locomotive a sei assi erano ancora preferite). Ma oggi una potenza di 4.000 cavalli è ottenibile da un motore diesel a 16 cilindri, mentre negli anni ’60 una potenza di 3.600 cavalli richiedeva un motore a 20 cilindri. Questo, insieme alla riduzione del numero di locomotive necessarie per trasportare un dato tonnellaggio a causa della migliore aderenza, è stato un fattore chiave nella diminuzione dei costi di manutenzione delle locomotive.
Al di fuori del Nord America, l’elettrificazione diffusa ha messo fine alla produzione di locomotive diesel appositamente costruite per il trasporto di treni passeggeri negli anni ’60. L’ultimo sviluppo per il servizio diesel ad alta velocità fu nelle ferrovie britanniche, che, per le sue tratte non elettrificate, produsse in serie un treno semipermanente, l’InterCity 125, che aveva una locomotiva da 2.250 cavalli ad ogni estremità di sette o otto vagoni intermedi. Nel 1987 uno di questi convogli stabilì un record mondiale di velocità per la trazione diesel di 238 km (148 miglia) all’ora. Alcuni InterCity 125 dovrebbero rimanere in servizio sotto varie altre denominazioni fino al 21° secolo. In Nord America, Amtrak negli Stati Uniti e VIA in Canada, così come alcune autorità di trasporto di massa urbano, utilizzano ancora locomotive diesel esclusivamente sui treni passeggeri. Altrove le locomotive diesel per il trasporto su strada sono progettate o per il trasporto esclusivo di merci o per il lavoro misto di passeggeri e merci.