20世紀(jì)初，國外開始探索試制內(nèi)燃機(jī)車。1924年，蘇聯(lián)制成一臺電力傳動內(nèi)燃柴油機(jī)車，并交付鐵路使用。同年，德國用柴油機(jī)和空壓縮機(jī)配接，利用柴油機(jī)排氣余熱加熱壓縮空氣代替蒸汽，將蒸汽機(jī)車改裝成為空氣傳動內(nèi)燃機(jī)車。1925年，美國將一臺220千瓦電傳動內(nèi)燃機(jī)車投入運(yùn)用，從事調(diào)車作業(yè)。30年代，內(nèi)燃機(jī)車進(jìn)入試用階段，30年代后期，出現(xiàn)了一些由功率為900～1 000 千瓦單節(jié)機(jī)車多節(jié)連掛的干線客運(yùn)內(nèi)燃機(jī)車。第二次世界大戰(zhàn)以后，因柴油機(jī)的性能和制造技術(shù)迅速提高，內(nèi)燃機(jī)車多數(shù)配裝了廢氣渦輪增壓系統(tǒng)，功率比戰(zhàn)前提高約50%，配置直流電力傳動裝置和液力傳動裝置的內(nèi)燃機(jī)車的發(fā)展加快了，到了20世紀(jì)50年代，內(nèi)燃機(jī)車數(shù)量急驟增長。60年代期，大功率硅整流器研制成功，并應(yīng)用于機(jī)車制進(jìn)，出現(xiàn)了交—直流電力傳動的2 940 千瓦內(nèi)燃機(jī)車。在70年代，單柴油機(jī)內(nèi)燃機(jī)車功率已達(dá)到4 410千瓦。隨著電子技術(shù)的發(fā)展，聯(lián)邦德國在1971年試制出1 840 千瓦的交一直一交電力傳動內(nèi)燃機(jī)車，從而為內(nèi)燃機(jī)車和電力機(jī)車的技術(shù)發(fā)展提供了新的途徑。內(nèi)燃機(jī)車隨后的發(fā)展，表現(xiàn)為在提高機(jī)車的可靠性、耐久性和經(jīng)濟(jì)性，以及防止污染、降低噪聲等方面不斷取得新的進(jìn)展。

中國從1958年開始制造內(nèi)燃機(jī)車，先后有東風(fēng)型等3 種型號機(jī)車最早投入批量生產(chǎn)。1969年后相繼批量生產(chǎn)了東風(fēng)4等15種新機(jī)型，同首要代內(nèi)燃機(jī)車相比較，在功率、結(jié)構(gòu)、柴油機(jī)熱效率和傳動裝置效率上，都有顯著提高；而且還分別增設(shè)了電阻制動或液力制動和液力換向、機(jī)車各系統(tǒng)保護(hù)和故障診斷顯示、微機(jī)控制的功能；采用了承載式車體、靜液壓驅(qū)動等一系列新技術(shù)；機(jī)車可靠性和使用壽命方面，性能有很大提高。東風(fēng)11客運(yùn)機(jī)車的速度達(dá)到了160 公里/小時(shí)。在生產(chǎn)內(nèi)燃機(jī)車的同時(shí)，中國還先后從羅馬尼亞、法國、美國、德國等中國進(jìn)口了不同數(shù)量的內(nèi)燃機(jī)車，隨著鐵路高速化和重載化進(jìn)程的加快，正在進(jìn)一步研究設(shè)計(jì)、開發(fā)與之相適應(yīng)的內(nèi)燃機(jī)車。