20世紀初，國外開始探索試制內燃機車。1924年，蘇聯制成一臺電力傳動內燃機車，并交付鐵路使用。同年，德國用柴油機和空壓縮機配接，利用柴油機排氣余熱加熱壓縮空氣代替蒸汽，將蒸汽機車改裝成為空氣傳動內燃機車。1925年，美國將一臺220 kW電傳動內燃機車投入運用，從事調車作業。

　　30年代，內燃機車進入試用階段，直流電力傳動液力變扭器等廣泛采用，并開始在內燃機車上采用液力耦合器和液力變扭器等熱力傳動裝置的元件，但內燃機車仍以調車機車為主。30年代后期，出現了一些由功率為900～1 000 kW單節機車多節連掛的干線客運內燃機車。

　　第二次世界大戰以后，因柴油機的性能和制造技術迅速提高，內燃機車多數配裝了廢氣渦輪增壓系統，功率比戰前提高約50%，配置直流電力傳動裝置和液力傳動裝置的內燃機車的發展加快了，到了20世紀50年代，內燃機車數量急驟增長。60年代期，大功率硅整流器研制成功，并應用于機車制進，出現了交—直流電力傳動的2 940 kw內燃機車。在70年代，單柴油機內燃機車功率已達到4 410kW。隨著電子技術的發展，聯邦德國在1971年試制出1 840 kW的交一直一交電力傳動內燃機車，從而為內燃機車和電力機車的技術發展提供了新的途徑。內燃機車隨后的發展，表現為在提高機車的可靠性、耐久性和經濟性，以及防止污染、降低噪聲等方面不斷取得新的進展。

　　中國從1958年開始制造內燃機車，先后有東風型等3 種型號機車最早投入批量生產。1969年后相繼批量生產了東風4等15種新機型，同第一代內燃機車相比較，在功率、結構、柴油機熱效率和傳動裝置效率上，都有顯著提高;而且還分別增設了電阻制或液力制動和液力換向、機車各系統保護和故障診斷顯示、微機控制的功能;采用了承載式車體、靜液壓驅動等一系列新技術;機車可靠性和使用壽命方面，性能有很大提高。東風11客運機車的速度達到了160 km/h。在生產內燃機車的同時，中國還先后從羅馬尼亞、法國、美國、德國等國家進口了不同數量的內燃機車，隨著鐵路高速化和重載化進程的加快，正在進一步研究設計、開發與之相適應的內燃機。