A Rudolph Diesel le fue otorgada la patente norteamericana por su motor, nombrado en su honor, en 1898. Éstos motores difieren de los motores de gasolina por el combustible que usan y el método por el cual llevan a cabo la ignición del combustible. Se presume que son más eficientes que los motores de gasolina y proporcionan energía prácticamente a cualquier cosa, desde carros hasta locomotoras y submarinos. Su gran inconveniente es el ruido que producen.
Después de su invención, en muy poco tiempo las locomotoras a vapor fueron reemplazadas por locomotoras a diesel, revolucionando completamente la industria ferrocarrilera. Aunque han habido muchas innovaciones en los últimos 100 años, la conformación básica de una locomotora a diesel permanece prácticamente intacta.
El motor de diesel es un motor de compresión-ignición. Está disponible en dos configuraciones: de dos y de cuatro tiempos. El motor de dos tiempos no tiene válvulas y su mantenimiento es sencillo, mientras que el motor de cuatro tiempos es más parecido a un motor de gasolina y es más eficiente respecto al combustible. La mayoría de las locomotoras modernas con motor a diesel tienen motores de cuatro tiempos.
El motor de diesel no mueve a la locomotora, tan sólo produce la energía. El motor necesita una especie de sistema de transmisión para convertir esta energía en un torque. La mayoría de las locomotoras modernas a diesel en realidad son locomotoras eléctricas-a diesel. La energía producida por el motor de diesel se convierte en corriente alterna, la cual pasa a los motores de tracción acoplados a las llantas de la locomotora. Muchas locomotoras de diesel de alta capacidad incluyen alternadores auxiliares.