柴油機(jī)車，又稱內(nèi)燃機(jī)車，是指以柴油發(fā)動機(jī)為動力來源，并通過傳動裝置驅(qū)動車輪的鐵路機(jī)車。內(nèi)燃機(jī)穩(wěn)定，不易出故障，速度快，啟動快，拉力大，效率大，聲音霸氣。司機(jī)駕駛操作方便.于20世紀(jì)中期開始各地鐵路廣泛使用。這些機(jī)車的功率輸出和效率比蒸氣機(jī)車高，自20世紀(jì)中開始在大部份地方成為主要鐵路機(jī)車種類，柴油機(jī)車可以直接取代蒸汽機(jī)車，不像電力機(jī)車必須依賴其他的電力傳送設(shè)施，如架空線或第三軌。柴油機(jī)車可按用途分類為貨運機(jī)車、客運機(jī)車、調(diào)車機(jī)車、廠礦機(jī)車和內(nèi)燃動車組。自1950年代起，鐵路電氣化開始普遍應(yīng)用，隨著技術(shù)進(jìn)步，電力機(jī)車在牽引力、加速力、爬坡能力和高速度上逐漸超越柴油機(jī)車，因此現(xiàn)時柴油機(jī)車多在些缺乏電氣化的鐵路區(qū)段行走。

與蒸氣引擎不同，柴油機(jī)車的內(nèi)燃機(jī)需經(jīng)傳動方能把動力輸出到其車輪上，當(dāng)機(jī)車停下時，其引擎可繼續(xù)運作。依照動力傳動方式的不同，柴油機(jī)車又可分為電力傳動、液力傳動、和機(jī)械傳動三大類。在鐵路發(fā)展方向為重載和高速的時代，大部分的柴油機(jī)車都是采用電力傳動，這是因為液傳機(jī)車無法發(fā)展為單機(jī)大功率內(nèi)燃機(jī)車。而在日本和歐洲，尤其是德國，以電力為主要牽引動力，客車普遍使用高速列車，內(nèi)燃機(jī)車居于次要的位置，大多用于中速輕載或調(diào)車作業(yè)，對功率要求不高，而液傳機(jī)車正擁有中低速牽引力較大的特點，所以這些柴油機(jī)車主要為液力傳動。

機(jī)械傳動柴油機(jī)車、像汽車的手動變速器様用變速箱和離合器。但機(jī)械結(jié)構(gòu)的離合器難以承受高功率，而且變速箱結(jié)構(gòu)就必然十分復(fù)雜和龐大，以增加排檔數(shù)提供相對平穩(wěn)的變速性能，所以機(jī)械傳動柴油機(jī)車功率通常很低，傳動效率低于液力傳動和電力傳動，所以機(jī)械傳動多用于輕型軌道車。