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柴油機車，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220千瓦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，30年代后期，出現了一些由功率為900～1 000 千瓦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 千瓦內燃機車。在70年代，單柴油機內燃機車功率已達到4 410千瓦。隨著電子技術的發展，聯邦德國在1971年試制出1 840 千瓦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，同首要代內燃機車相比較，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動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 公里/小時。在生產內燃機車的同時，中國還先后從羅馬尼亞、法國、美國、德國等中國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車。