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

與蒸氣引擎不同，柴油機車的內燃機需經傳動方能把動力輸出到其車輪上，當機車停下時，其引擎可繼續運作。依照動力傳動方式的不同，柴油機車又可分為電力傳動、液力傳動、和機械傳動三大類。在鐵路發展方向為重載和高速的時代，大部分的柴油機車都是采用電力傳動，這是因為液傳機車無法發展為單機大功率內燃機車。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，內燃機車居于次要的位置，大多用于中速輕載或調車作業，對功率要求不高，而液傳機車正擁有中低速牽引力較大的特點，所以這些柴油機車主要為液力傳動。

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