Er zijn drie grote klassen spoorwegmaterieel die dieselmotoren als krachtbron gebruiken:
1. Het lichte passagiersrijtuig of de railbus (tot 200 pk), die gewoonlijk vier wielen en een mechanische transmissie heeft. Het kan ontworpen zijn om een licht aanhangrijtuig te trekken. Het gebruik van dergelijke voertuigen is zeer beperkt.
2. Het vierassige passagiersrijtuig (tot 750 pk), dat onafhankelijk kan worden gebruikt, een niet-aangedreven aanhangwagen kan trekken, of kan worden gevormd tot een semipermanent treinstel zoals een meervoudige eenheid met alle of een deel van de wagens aangedreven. In de motorwagens kunnen de dieselmotor en alle bijbehorende tractie-uitrusting, met inbegrip van de brandstoftanks, onder de vloer worden gemonteerd om ruimte boven de frames vrij te maken voor de passagiers. De overbrenging is elektrisch of hydraulisch. Moderne motorwagens en treinstellen zijn meestal uitgerust voor meervoudig treinbedrijf, met besturing vanuit één enkele cabine.
3. Locomotieven (10 tot 4.000 pk), die een mechanische transmissie kunnen hebben indien het vermogen zeer gering is, of een hydraulische transmissie voor vermogens tot ongeveer 2.000 pk, maar in de meeste gevallen een elektrische transmissie hebben, waarbij de keuze afhangt van het vermogen en het doel.
Een aanzienlijke toename van de vermogen-gewichtsverhouding van dieselmotoren en de toepassing van elektronica op de besturings- en diagnosesystemen van de onderdelen brachten in het laatste kwart van de 20e eeuw aanzienlijke vooruitgang in het rendement van diesellocomotieven. In 1990 was een dieselmotor met een continu vermogen van 3.500 pk beschikbaar tegen bijna de helft van het gewicht van een soortgelijk model in 1970. Tegelijkertijd werd het brandstofrendement van dieselmotoren aanzienlijk verbeterd.
Elektronica heeft een bijzonder belangrijke bijdrage geleverd aan de belastbaarheid van diesel-elektrische locomotieven in het goederenvervoer over de weg, door verbetering van de adhesie bij het starten of bij het beklimmen van hellingen. Een locomotief die vanuit stilstand optrekt, kan 33 tot 50 procent meer trekkracht ontwikkelen als de aangedreven wielen een zeer lichte, gelijkmatige en nauwkeurig geregelde slip mogen “kruipen”. In een typisch kruipcontrolesysteem meet doppler-radar onder de locomotief nauwkeurig de werkelijke rijsnelheid, aan de hand waarvan microprocessoren de ideale kruipsnelheidslimiet onder de heersende spooromstandigheden berekenen en de stroomtoevoer naar de tractiemotoren automatisch regelen. Het proces is continu, zodat de stroomniveaus onmiddellijk worden aangepast aan een verandering in de spoorparameters. In de jaren 1960 waren de Noord-Amerikanen van mening dat een diesel-elektrische locomotief van 3.000-3.600 pk of meer zes gemotoriseerde assen moest hebben voor een effectieve adhesie: twee spoorwegmaatschappijen hadden een klein aantal locomotieven met acht gemotoriseerde assen aangeschaft, elk aangedreven door twee dieselmotoren, met vermogens van 5.000-6.600 pk. Sinds het midden van de jaren 1980 zijn vierassige locomotieven met een vermogen tot 4.000 pk haalbaar geworden en worden ze op grote schaal ingezet in het snelle goederenvervoer (hoewel voor het zware goederenvervoer nog steeds de voorkeur werd gegeven aan zesassige locomotieven). Maar vandaag kan een vermogen van 4000 pk worden gehaald uit een 16-cilinder dieselmotor, terwijl in de jaren 1960 voor een vermogen van 3600 pk een 20-cilinder motor nodig was. Dit, in combinatie met de vermindering van het aantal locomotieven dat nodig is om een gegeven tonnage te vervoeren als gevolg van de verbeterde adhesie, is een belangrijke factor geweest bij de vermindering van de onderhoudskosten van locomotieven.
Buiten Noord-Amerika maakte de wijdverbreide elektrificatie in de jaren 1960 zo goed als een einde aan de productie van diesellocomotieven die speciaal waren gebouwd voor het vervoer van passagierstreinen. De laatste ontwikkeling op het gebied van hogesnelheidsdieseltreinen vond plaats bij de Britse Spoorwegen, die voor hun niet-geëlektrificeerde hoofdlijnen een semipermanent treinstel, de InterCity 125, produceerden met een 2250 pk sterke locomotief aan elk uiteinde van zeven of acht tussenrijtuigen. In 1987 vestigde een van deze treinstellen een wereldsnelheidsrecord voor dieseltractie van 238 km (148 mijl) per uur. Verwacht wordt dat sommige InterCity 125-stellen onder verschillende andere benamingen nog tot ver in de 21e eeuw in dienst zullen blijven. In Noord-Amerika zetten Amtrak in de Verenigde Staten en VIA in Canada, alsmede sommige stedelijke openbaarvervoersmaatschappijen, nog steeds uitsluitend diesellocomotieven in voor passagierstreinen. Elders zijn diesellocomotieven voor het wegvervoer ontworpen voor hetzij uitsluitend goederenvervoer, hetzij gemengd passagiers- en goederenvervoer.