最早发明的轨道专用机械机车是蒸汽机车，它利用蒸汽机代替畜力牵引轨道上的车辆。以后出现的各种轨道专用机械机车也是在新型动力机问世后研制出来的。轨道专用机械继蒸汽机车之后依次出现的几种机车是：轨道专用机械电力机车、柴油机车、燃气轮机车。
1804年英国人特里维西克创造出第一台轨道专用机械蒸汽机车。1929年制造的“火箭”号机车奠定了现代蒸汽机车的基本形式，后来在构造和效率方面作了不断改进。为适应运输需要制造出各种用途的蒸汽机车，又不断向大功率、大牵引力和高速度发展，到20世纪30～40年代达轨道专用机械到高峰。
1879年首次制成应用第三轨供直流电的小电力轨道专用机械机车。19世纪90年代有些国家便在地下铁道、大城市市郊铁路和干线长隧道区段应用电力机车。到20世纪20年代末，不少国家已有电气化铁路，大多采用架空的接触网供直流电。50年代，大功率引燃管式整流器和60年代大功率半导体整流器件问世后，工业频率交流电力机车得以迅速发展。这种机车功率增大，性能显著改善，虽然基本建设投资较大，但经济效益高，可以用在运输繁忙的电气化铁路干线上。
1923年柴油机车制成试用，1925年正式应用。初期因柴油机功率不大，多用于调车作业;后来有了1000千瓦左右的机车用柴油机，便制造出干线用机车，由两节或多节联挂。从运用结果表明它比蒸汽机车优越。50年代就迅速推广开来，功率也逐渐增大。
1941年制造燃气轮机车，1943年首次在铁路上运用，有少数国家在做试验性运用或小批量正式运用后停用。虽未大量采用，但有发展前途。
轨道专用机械蒸汽机车构造简单，成本低廉，坚固耐用，在铁路上原占主导地位。但因经济效益不高和排烟污染环境而逐渐被柴油机车和电力机车取代。美国于1960年，英国于1968年，法国于1972年，日本于1975年，联邦德国和苏联均于1977年相继停用。虽有不少国家仍在使用，但担负的运量比重日益缩小。
