柴油机车，又称内燃机车，是指以柴油发动机为动力来源，并通过传动装置驱动车轮的铁路机车。内燃机稳定，不易出故障，速度快，启动快，拉力大，效率大，声音霸气。司机驾驶操作方便.于20世纪中期开始各地铁路广泛使用。这些机车的功率输出和效率比蒸气机车高，自20世纪中开始在大部份地方成为主要铁路机车种类，柴油机车可以直接取代蒸汽机车，不像电力机车必须依赖其他的电力传送设施，如架空线或第三轨。柴油机车可按用途分类为货运机车、客运机车、调车机车、厂矿机车和内燃动车组。自1950年代起，铁路电气化开始普遍应用，随着技术进步，电力机车在牵引力、加速力、爬坡能力和高速度上逐渐超越柴油机车，因此现时柴油机车多在些缺乏电气化的铁路区段行走。

与蒸气引擎不同，柴油机车的内燃机需经传动方能把动力输出到其车轮上，当机车停下时，其引擎可继续运作。依照动力传动方式的不同，柴油机车又可分为电力传动、液力传动、和机械传动三大类。在铁路发展方向为重载和高速的时代，大部分的柴油机车都是采用电力传动，这是因为液传机车无法发展为单机大功率内燃机车。而在日本和欧洲，尤其是德国，以电力为主要牵引动力，客车普遍使用高速列车，内燃机车居于次要的位置，大多用于中速轻载或调车作业，对功率要求不高，而液传机车正拥有中低速牵引力较大的特点，所以这些柴油机车主要为液力传动。

机械传动柴油机车、像汽车的手动变速器様用变速箱和离合器。但机械结构的离合器难以承受高功率，而且变速箱结构就必然十分复杂和庞大，以增加排档数提供相对平稳的变速性能，所以机械传动柴油机车功率通常很低，传动效率低于液力传动和电力传动，所以机械传动多用于轻型轨道车。