Istnieją trzy szerokie klasy sprzętu kolejowego, w którym jako napęd stosuje się silniki spalinowe:
1. Lekki pasażerski wagon kolejowy lub autobus szynowy (do 200 KM), który zazwyczaj jest czterokołowy i ma mechaniczną skrzynię biegów. Może być zaprojektowany do ciągnięcia lekkiego wagonu z przyczepą. Zastosowanie takich pojazdów jest bardzo ograniczone.
2. Czteroosiowy pasażerski wagon kolejowy (do 750 KM), który może być eksploatowany samodzielnie, ciągnąć przyczepę bez napędu lub być formowany w półtrwały zespół trakcyjny, taki jak zespół trakcyjny ze wszystkimi lub częścią wagonów z napędem. W wagonach z napędem silnik wysokoprężny i całe związane z nim wyposażenie trakcyjne, łącznie ze zbiornikami paliwa, można zmieścić pod podłogą, aby uwolnić przestrzeń nad ramą dla siedzeń pasażerów. Przeniesienie napędu jest albo elektryczne, albo hydrauliczne. Nowoczesne wagony silnikowe i zespoły trakcyjne wagonów silnikowych są przeważnie wyposażone do eksploatacji pociągów wieloczłonowych, z kontrolą jazdy z pojedynczej kabiny.
3. Lokomotywy (10 do 4000 koni mechanicznych), które mogą mieć przekładnię mechaniczną, jeśli mają bardzo małą moc, lub przekładnię hydrauliczną dla mocy do około 2000 koni mechanicznych, ale w większości przypadków mają przekładnię elektryczną, wybór zależy od mocy wyjściowej i przeznaczenia.
Znaczny wzrost stosunku mocy silnika wysokoprężnego do masy oraz zastosowanie elektroniki w układach sterowania i diagnostyki podzespołów przyniosły znaczny postęp w sprawności lokomotyw spalinowych w ostatnim ćwierćwieczu XX wieku. W 1990 roku silnik wysokoprężny o mocy ciągłej 3500 KM był dostępny przy masie prawie o połowę mniejszej niż podobny model z 1970 roku. Jednocześnie znacznie poprawiła się sprawność paliwowa silników wysokoprężnych.
Elektronika wniosła szczególnie istotny wkład do zdolności przewozowej lokomotyw spalinowo-elektrycznych w drogowym transporcie towarowym, poprzez poprawę przyczepności przy ruszaniu lub przy pokonywaniu wzniesień. Lokomotywa przyspieszająca ze stanu spoczynku może rozwinąć od 33 do 50 procent więcej siły pociągowej, jeśli jej koła napędzane będą miały możliwość „pełzania” do bardzo niewielkiego, stałego i precyzyjnie kontrolowanego poślizgu. W typowym systemie „sterowania pełzaniem” radar dopplerowski zamontowany pod lokomotywą precyzyjnie mierzy rzeczywistą prędkość jazdy, na podstawie której mikroprocesory obliczają idealną granicę prędkości pełzania w panujących warunkach torowych i automatycznie regulują dopływ prądu do silników trakcyjnych. Proces ten odbywa się w sposób ciągły, dzięki czemu poziom prądu jest natychmiast dostosowywany do zmiany parametrów toru. W latach sześćdziesiątych XX wieku w Ameryce Północnej uważano, że lokomotywa spalinowo-elektryczna o mocy co najmniej 3.000-3.600 KM musi mieć sześć osi napędzanych, aby zapewnić skuteczną przyczepność: dwie linie kolejowe nabyły niewielką liczbę lokomotyw ośmioosiowych, każda napędzana dwoma silnikami wysokoprężnymi, o mocy 5.000-6.600 KM. Od połowy lat 80. lokomotywy czteroosiowe o mocy do 4000 KM stały się możliwe do zastosowania i są powszechnie używane w szybkim ruchu towarowym (choć do ciężkich przewozów towarowych nadal preferowano lokomotywy sześcioosiowe). Obecnie jednak moc 4 000 KM można uzyskać z 16-cylindrowego silnika wysokoprężnego, podczas gdy w latach 60-tych moc 3 600 KM wymagała silnika 20-cylindrowego. To, w połączeniu ze zmniejszeniem liczby lokomotyw potrzebnych do przewozu danego tonażu dzięki lepszej przyczepności, było kluczowym czynnikiem obniżenia kosztów utrzymania lokomotywy.
Poza Ameryką Północną, powszechna elektryfikacja praktycznie zakończyła produkcję lokomotyw spalinowych przeznaczonych do przewozu pociągów pasażerskich w latach 60-tych. Ostatni rozwój szybkich lokomotyw spalinowych nastąpił w kolejach brytyjskich, które na niezelektryfikowanych trasach magistralnych masowo produkowały półstały skład InterCity 125, z lokomotywą o mocy 2250 KM na każdym końcu siedmiu lub ośmiu wagonów pośrednich. W 1987 roku jeden z tych składów ustanowił światowy rekord prędkości dla trakcji spalinowej wynoszący 238 km (148 mil) na godzinę. Niektóre składy InterCity 125 pozostaną w eksploatacji pod różnymi innymi nazwami aż do XXI wieku. W Ameryce Północnej Amtrak w Stanach Zjednoczonych i VIA w Kanadzie, a także niektóre miejskie zarządy transportu zbiorowego nadal eksploatują lokomotywy spalinowe wyłącznie w pociągach pasażerskich. Gdzie indziej lokomotywy spalinowe przeznaczone są albo do wyłącznego przewozu towarów, albo do mieszanych przewozów pasażerskich i towarowych.
.