Det finns tre breda klasser av järnvägsutrustning som använder dieselmotorer som drivkraft:
1. Lätta passagerartåg eller rälsbussar (upp till 200 hästkrafter), som vanligtvis är fyrhjuliga och har mekanisk transmission. Den kan vara utformad för att dra en lätt släpvagnsbil. Användningen av sådana fordon är mycket begränsad.
2. Den fyraxliga passagerartågvagnen (upp till 750 hästkrafter), som kan köras självständigt, dra en släpvagn utan motor eller bildas till ett halvpermanent tågsätt, t.ex. ett flervåningsvagnsaggregat där alla eller en del av vagnarna är drivna. I de drivna vagnarna kan dieselmotorn och all tillhörande dragutrustning, inklusive bränsletankar, monteras under golvet för att frigöra utrymme ovanför ramarna för passagerarsittplatser. Transmissionen är antingen elektrisk eller hydraulisk. Moderna rälsbussar och tågsätt med rälsbussar är oftast utrustade för tågdrift i flera enheter, med körning från en enda hytt.
3. Lokomotiv (10-4 000 hästkrafter), som kan ha mekanisk kraftöverföring om de är mycket svaga eller hydraulisk kraftöverföring för effekter upp till cirka 2 000 hästkrafter, men som i de flesta fall har elektrisk kraftöverföring, valet beror på effekt och syfte.
En avsevärd ökning av dieselmotorernas effekt-viktförhållande och tillämpningen av elektronik i komponenternas styr- och diagnossystem medförde betydande framsteg i diesellokens effektivitet under den sista fjärdedelen av 1900-talet. År 1990 fanns en dieselmotor med en kontinuerlig effekt på 3 500 hästkrafter tillgänglig med nästan halva vikten jämfört med en liknande modell 1970. Samtidigt förbättrades dieselmotorernas bränsleeffektivitet avsevärt.
Elektroniken har gett ett särskilt viktigt bidrag till lasthanteringsförmågan hos dieselelektriska lokomotiv för godstransporter på väg, genom att förbättra vidhäftningen vid start eller vid stigningar. Ett lokomotiv som accelererar från vila kan utveckla 33-50 procent mer dragkraft om dess drivna hjul tillåts ”krypa” in i en mycket svag, stadig och finkontrollerad glidning. I ett typiskt ”krypningskontrollsystem” mäter dopplerradaren, som är monterad under lokomotivet, exakt den verkliga markhastigheten, mot vilken mikroprocessorer beräknar den idealiska gränsen för krypningshastighet under rådande spårförhållanden och automatiskt reglerar strömtillförseln till dragmotorerna. Processen är kontinuerlig, så att strömnivåerna omedelbart justeras för att motsvara en förändring av spårparametrarna. På 1960-talet ansåg nordamerikanerna att ett dieselelektriskt lokomotiv på 3 000-3 600 hästkrafter eller mer måste ha sex motordrivna axlar för effektiv vidhäftning: två järnvägar hade anskaffat ett litet antal lokomotiv med åtta motordrivna axlar, vart och ett drivet av två dieselmotorer med en effekt på 5 000-6 600 hästkrafter. Sedan mitten av 1980-talet har fyraxliga lokomotiv med upp till 4 000 hästkrafter blivit genomförbara och används i stor utsträckning i snabb godstrafik (även om sexaxliga lokomotiv fortfarande föredras för tung godstrafik). I dag kan 4 000 hästkrafter uppnås med en 16-cylindrig dieselmotor, medan det på 1960-talet krävdes en 20-cylindrig motor för en effekt på 3 600 hästkrafter. Detta, tillsammans med det minskade antalet lokomotiv som krävs för att transportera ett visst tonnage på grund av förbättrad vidhäftning, har varit en nyckelfaktor för att minska underhållskostnaderna för lokomotiv.
Utanför Nordamerika upphörde den utbredda elektrifieringen så gott som helt och hållet med tillverkningen av diesellok som var specialbyggda för persontågsbefordran på 1960-talet. Den sista utvecklingen för höghastighetsdieseltrafik skedde inom British Railways, som för sina icke-elektrifierade huvudlinjer massproducerade ett halvpermanent tågsätt, InterCity 125, med ett 2 250 hästkrafter starkt lokomotiv i varje ände av sju eller åtta mellanliggande vagnar. År 1987 satte ett av dessa tågsätt ett världsrekord i hastighet för dieseltrafik på 238 km i timmen. Vissa InterCity 125-tåg förväntas förbli i drift under olika andra beteckningar långt in på 2000-talet. I Nordamerika använder Amtrak i USA och VIA i Kanada, liksom vissa kollektivtrafikmyndigheter i städerna, fortfarande diesellok uteslutande för passagerartåg. På andra håll är diesellok för vägtransporter antingen konstruerade för uteslutande godstransporter eller för blandade passagerar- och godstransporter.