Existem três grandes classes de equipamentos ferroviários que utilizam motores diesel como motores principais:
1. O vagão de passageiros leve ou ônibus ferroviário (até 200 cavalos de potência), que normalmente é de quatro rodas e tem transmissão mecânica. Pode ser concebido para transportar um vagão de reboque ligeiro. A utilização de tais veículos é muito limitada.
2. O vagão de passageiros de quatro eixos (até 750 cavalos de potência), que pode ser operado independentemente, transportar um reboque sem potência, ou ser formado em um conjunto de trem semipermanente, como uma unidade múltipla com todos ou uma proporção dos vagões movidos. Nos vagões movidos, o motor diesel e todo o equipamento de tração associado, incluindo tanques de combustível, são capazes de se instalar sob o piso para liberar espaço acima dos quadros para os assentos dos passageiros. A transmissão pode ser elétrica ou hidráulica. Os modernos vagões e conjuntos de vagões ferroviários estão equipados na sua maioria para o funcionamento de comboios de várias unidades, com controlo de condução a partir de uma única cabina.
3. Locomotivas (10 a 4.000 cavalos de potência), que podem ter transmissão mecânica se a potência for muito baixa ou transmissão hidráulica para potências até cerca de 2.000 cavalos mas na maioria dos casos têm transmissão eléctrica, a escolha depende da potência e da finalidade.
Um aumento substancial das relações potência/peso dos motores diesel e a aplicação da electrónica nos sistemas de controlo e diagnóstico de componentes trouxe avanços significativos na eficiência das locomotivas diesel no último quartel do século XX. Em 1990, um motor diesel com uma potência contínua de 3.500 cavalos estava disponível com quase metade do peso de um modelo semelhante em 1970. Ao mesmo tempo, a eficiência de combustível dos motores diesel foi significativamente melhorada.
A electrónica deu uma contribuição particularmente importante para a capacidade de carga das locomotivas diesel-eléctricas em trabalhos de carga rodoviária, melhorando a aderência no arranque ou na subida de escalas. Uma locomotiva que acelera do repouso pode desenvolver de 33 a 50% mais força de tração se suas rodas motorizadas puderem “rastejar” para um deslizamento muito leve, estável e finamente controlado. Em um sistema típico de “controle de fluência”, o radar Doppler montado sob a locomotiva mede precisamente a verdadeira velocidade no solo, contra a qual os microprocessadores calculam o limite ideal de velocidade de fluência nas condições de via predominantes e regulam automaticamente a alimentação de corrente para os motores de tração. O processo é contínuo, de modo que os níveis de corrente são imediatamente ajustados para corresponder a uma alteração nos parâmetros da via. Nos anos 60, os norte-americanos consideraram que uma locomotiva diesel-elétrica de 3.000-3.600 cavalos-força ou mais deve ter seis eixos motorizados para uma adesão efetiva: duas ferrovias haviam adquirido um pequeno número de locomotivas de oito eixos motorizados, cada uma movida por dois motores diesel, com potências de 5.000-6.600 cavalos-força. Desde meados da década de 1980, locomotivas de quatro eixos de até 4.000 cavalos de potência tornaram-se viáveis e são amplamente empregadas em serviços de carga rápida (embora para cargas pesadas, as locomotivas de seis eixos ainda fossem preferidas). Mas hoje é possível obter uma classificação de 4.000 cavalos de potência com um motor diesel de 16 cilindros, enquanto nos anos 60 uma potência de 3.600 cavalos exigia um motor de 20 cilindros. Isto, juntamente com a redução do número de locomotivas necessárias para transportar uma determinada tonelagem devido à melhor aderência, tem sido um factor chave na diminuição dos custos de manutenção das locomotivas.
Fora da América do Norte, a electrificação generalizada, à excepção da produção de locomotivas diesel especialmente construídas para o transporte de comboios de passageiros nos anos 60. O último desenvolvimento para o serviço diesel de alta velocidade foi na British Railways, que, por suas rotas de troncos não eletrificados, produziu em massa um conjunto semipermanente de trens, o InterCity 125, que tinha uma locomotiva de 2.250 cavalos de potência em cada extremidade de sete ou oito vagões intermediários. Em 1987, um desses conjuntos estabeleceu um recorde mundial de velocidade para tração diesel de 238 km por hora. Espera-se que alguns conjuntos InterCity 125 permaneçam em serviço sob várias outras designações até bem dentro do século 21. Na América do Norte, a Amtrak nos Estados Unidos e a VIA no Canadá, assim como algumas autoridades de trânsito urbano em massa, ainda operam locomotivas diesel exclusivamente em trens de passageiros. Noutros locais, as locomotivas diesel de transporte rodoviário de mercadorias são concebidas quer para o transporte exclusivo de mercadorias, quer para trabalhos mistos de passageiros e mercadorias.