內燃機車以內燃機作為原動力，透過傳動裝置驅動車輪的機車。根據機車上內燃機的種類，在中國鐵路上採用的內燃機絕大多數是柴油機。燃油（柴油）在氣缸內燃燒，將熱能轉換為由柴油曲軸輸出的機械能，但並不用來直接驅動動輪，而是透過傳動裝置轉換為適合機車牽引特性要求的機械能，再透過走行部驅動機車動輪在軌道上轉動。

柴油機車使用最為廣泛。在中國，內燃機車這一概念習慣上指的是柴油機車。 內燃機車中內燃機和動輪之間加裝一臺與發動機同等重要並符合牽引特性的傳動裝置。傳動裝置有三種：機械傳動裝置、液力傳動裝置和電力傳動裝置。裝有電力傳動裝置的內燃機車，稱為電力傳動內燃機車，餘類推。

內燃機車的動力裝置，又稱壓燃式內燃機。主要結構特點包括汽缸數、汽缸排列形式、汽缸直徑、活塞衝程、增壓與否等。現代機車用的柴油機都配裝廢氣渦輪增壓器，以利用柴油機廢氣推動渦輪壓氣機，把提高了壓力的空氣經中間冷卻器冷卻後送入柴油機進氣管，從而大幅度提高了柴油機功率和熱效率。柴油機工作有四衝程和二衝程兩種方式，同等轉速的四衝程機的熱效率一般高於二衝程，所以大部分採用四衝程。從轉速來看，分為高速機、中速機和低速機。為滿足各種功率的需要，生產有相同汽缸直徑和活塞的各種缸數的產品。功率較小用6缸、8缸直列或8缸V型，功率較大用12、16、18和20缸V型，其中以12、16缸的最為常用。