Hay tres grandes clases de equipos ferroviarios que utilizan motores diésel como motor principal:
1. El vagón de pasajeros ligero o autobús ferroviario (hasta 200 caballos de potencia), que suele tener cuatro ruedas y transmisión mecánica. Puede estar diseñado para arrastrar un vagón remolque ligero. El uso de este tipo de vehículos es muy limitado.
2. El vagón de pasajeros de cuatro ejes (hasta 750 caballos de potencia), que puede funcionar de forma independiente, arrastrar un remolque no motorizado o formar un tren semipermanente como una unidad múltiple con todos o una parte de los vagones motorizados. En los coches propulsados, el motor diésel y todo el equipo de tracción asociado, incluidos los depósitos de combustible, pueden instalarse bajo el piso para liberar espacio por encima de los bastidores para los asientos de los pasajeros. La transmisión es eléctrica o hidráulica. Los vagones modernos y los conjuntos de trenes de vagones están equipados en su mayoría para la operación de trenes de unidades múltiples, con el control de la conducción desde una sola cabina.
3. Locomotoras (de 10 a 4.000 caballos de fuerza), que pueden tener transmisión mecánica si son de muy baja potencia o transmisión hidráulica para potencias de hasta unos 2.000 caballos, pero en la mayoría de los casos tienen transmisión eléctrica, la elección depende de la potencia y el propósito.
El aumento sustancial de la relación potencia-peso de los motores diesel y la aplicación de la electrónica a los sistemas de control y diagnóstico de los componentes supusieron avances significativos en la eficiencia de las locomotoras diesel en el último cuarto del siglo XX. En 1990, un motor diesel con una potencia continua de 3.500 caballos estaba disponible con casi la mitad de peso que un modelo similar en 1970. Al mismo tiempo, la eficiencia del combustible de los motores diesel mejoró significativamente.
La electrónica ha contribuido de forma especialmente importante a la capacidad de carga de las locomotoras diesel-eléctricas en el trabajo de transporte de mercancías por carretera, al mejorar la adherencia en el arranque o en la subida de pendientes. Una locomotora que acelera desde el reposo puede desarrollar entre un 33 y un 50 por ciento más de fuerza de tracción si se permite que sus ruedas motorizadas «se arrastren» hacia un deslizamiento muy ligero, constante y finamente controlado. En un sistema típico de «control de fluencia», un radar Doppler montado bajo la locomotora mide con precisión la velocidad real sobre el terreno, en función de la cual los microprocesadores calculan el límite ideal de velocidad de fluencia en las condiciones de la vía y regulan automáticamente el suministro de corriente a los motores de tracción. El proceso es continuo, de modo que los niveles de corriente se ajustan inmediatamente a un cambio en los parámetros de la vía. En los años 60, los norteamericanos consideraban que una locomotora diésel-eléctrica de 3.000-3.600 caballos o más debía tener seis ejes motorizados para lograr una adherencia eficaz: dos ferrocarriles habían adquirido un pequeño número de locomotoras de ocho ejes motorizados, cada una con dos motores diésel, con potencias de 5.000-6.600 caballos. Desde mediados de los años 80, las locomotoras de cuatro ejes de hasta 4.000 caballos son viables y se emplean ampliamente en el servicio de carga rápida (aunque para el servicio de carga pesada se siguen prefiriendo las locomotoras de seis ejes). Sin embargo, hoy en día se puede obtener una potencia de 4.000 caballos con un motor diésel de 16 cilindros, mientras que en los años 60 una potencia de 3.600 caballos exigía un motor de 20 cilindros. Esto, unido a la reducción del número de locomotoras necesarias para transportar un determinado tonelaje gracias a la mejora de la adherencia, ha sido un factor clave en la disminución de los costes de mantenimiento de las locomotoras.
Fuera de Norteamérica, la electrificación generalizada prácticamente puso fin a la producción de locomotoras diésel destinadas al transporte de trenes de pasajeros en la década de 1960. El último desarrollo del servicio diesel de alta velocidad tuvo lugar en los Ferrocarriles Británicos, que, para sus rutas troncales no electrificadas, produjeron en masa una serie de trenes semipermanentes, el InterCity 125, que tenía una locomotora de 2.250 caballos en cada extremo de siete u ocho vagones intermedios. En 1987, una de estas composiciones estableció un récord mundial de velocidad para la tracción diesel de 238 km (148 millas) por hora. Se espera que algunos conjuntos InterCity 125 sigan en servicio con otras denominaciones hasta bien entrado el siglo XXI. En Norteamérica, Amtrak en Estados Unidos y VIA en Canadá, así como algunas autoridades de transporte masivo urbano, siguen utilizando locomotoras diésel exclusivamente en trenes de pasajeros. En otros lugares, las locomotoras diésel de transporte por carretera están diseñadas para el transporte exclusivo de mercancías o para el trabajo mixto de pasajeros y mercancías.