铁路机车（或称作火车头、机关车、机车头）是一种用来提供铁路列车动力的铁路车辆，用来在轨道上驱动列车。不同于动力中部车厢（动车）厢，铁路机车只提供列车动力，本身没有载重空间。
在过去，铁路机车总是在前面拉动列车。然而现今的机车经常采用“动力集中式列车”的模式：机车在前方时，驾驶在机车内控制机车“拉动”后方的列车；列车掉头后，机车改成向后“推动”列车，驾驶则在列车后方的控制车或另一辆机车内同时控制所有机车。然而在北美地区，即使连挂了“中车”（mid-train；放在列车中间的铁路机车）和“尾车”（tail-end“helpers”；放在列车尾部的铁路机车），在整列列车需要26,000马力（19,000千瓦）的净牵引力时，“中车”或“尾车”最多只提供9,000马力（6,700千瓦）的净牵引力。
英语中“铁路机车”一词是“locomotive”，字首“loco”在拉丁文中有着“从某地”之意（“locus”的离格），字首和中世纪的拉丁词“motivus”（产生运动）合并起来就是“locomotive”。“locomotive”一字也是英语中“locomotive engine”的简写，首次使用是在十九世纪初，用以分别可动的和固定式蒸汽发动机（英语：Stationary steam engine）。
在铁路机车出现之前，人力、马力、重力或是固定的发动机（作为提供缆索铁路的动力）等低技术动力总成都曾被用作提供铁路运输的动力。
第一批成功服役的铁路机车由来自英国康沃尔地区的发明家理查·特里维西克。在1804年，他所设计的蒸气机车拉动了一列在威尔士地区的梅瑟蒂德菲尔镇附近的潘尼达伦（英语：Penydarren）铁矿服役的电车车厢。虽然这辆蒸气机车拉动了一列由五个载有10.2吨铁和70个乘客的车厢、并行驶了9里（14千米），但是当时所用的铁合金路轨并不足以承载蒸气列车的重量。理查所设计的蒸气机车行驶了三次就被放弃使用了。在这事件后，理查制造了一系列的铁路机车；其中一架更被当时还年轻的著名英国工程师乔治·史蒂芬生在英国北部泰恩赛尔地区看见。
第一辆成功用作商业用途的蒸汽机车就是马太·梅利（英语：Matthew Murray）的齿轨机车（参见齿轨铁路）；这部为了米德尔顿铁路（英语：Middleton Railway）（一条窄轨铁路）而在1812年建成的机车名为撒拉曼卡。1813年，另一部机车随之而来；这机车为了威南（英语：Wylam）煤矿铁路而建，由克里斯托弗·布莱克特（英语：Christopher Blackett）和威廉·赫德利（英语：William Hedley）建造。这辆叫作“喷气比利”（英语：Puffing Billy(locomotive)）的机车是第一辆成功地只是使用“粘着式铁路（英语：Rail adhesion）”的方式行驶的铁路机车。“喷气比利”现时在伦敦科学博物馆展出；她是现存历史最悠久的铁路机车。
1814年，乔治·史蒂芬生还在基林沃思（英语：Killingworth）煤矿做一个坑口绞车操作员；他被之前由特里维西克和赫德利所建造的铁路机车所启发，就说服煤矿经理，准许他建造一架蒸汽机车。他建造了“Blücher”，第一辆使用 法兰技术制造的轮子、又使用“粘着式铁路”的铁路机车。史蒂芬生在铁路机车的发展、和蒸汽机车被广泛接受的过程中，扮演了关键性的角色；他的设计改善了其他铁路机车的设计先驱之工作。1825年，他为了在英国北部的特伦特河畔斯托克顿－达林顿铁路（英语：Stockton and Darlington Railway）建造了“运动一号（英语：Locomotion No 1）”，使这条铁路成了第一条公共蒸汽铁路。1829年，史蒂芬生建造了“火箭号”；这“火箭号”就是那辆在著名的“雨山比赛（英语：Rainhill Trials）”中胜出的铁路机车。“火箭号”的成功促使史蒂芬生成立了自己的公司；这间公司是杰出的蒸汽机车制造商，其产品遍及英国、美国和欧洲大部分的地方。英国的利物浦──曼彻斯特铁路（英语：Liverpool and Manchester Railway）在1830年启用，是史上第一条城际客运铁路；在这条铁路上，蒸汽机车均是载客和载货列车的惟一一种铁路机车。
优点：
缺点：
传统上，铁路机车是在列车的前面牵引车厢。近年很多的客车改用“推拉”方式运作，列车往一个方向行驶时由机车在前面拉；往另一方向时则由机车在后面推，由司机在另一端遥控位于车尾的机车；推拉也可以指两端各一辆机车头一推一拉。
机车通常也会做为在其他车组在运行中发生故障时的动力应急来源（应急使用的机车头在台湾俗称“补机”或“大补丸”），例如台湾的纵贯铁路山线段或是东部干线宜兰段，由于坡度较高，通常货运列车都会加挂另一个机车头作为补机用，而客运用电力动车组若发生动力不足或是动力故障但冷气电动机未故障时，也会加挂补机让该班次得以顺利运行。
铁路机车一般会按动力来源划分。
解放型蒸汽机车，中国1960年代造
普鲁士的P8型蒸汽机车，德国统一后成为德国国铁038型
1942年美国伊利诺州芝加哥铁路站场中停放的西北铁路局的蒸汽机车
在十九世纪最先出现的机车是以蒸汽推动的。到第二次世界大战结束时，蒸汽机车仍是最常见的机车。
蒸汽机车的速度纪录是由英国的伦敦及东北铁路A4型所创下。1938年7月3日，该型机车中的一台——伦敦及东北铁路4468号机车（别号“Mallard”）牵引铁路车辆7辆，在一个稍微下坡路段创下时速126英里（203千米）的纪录。德国、美国的蒸汽机车亦达到接近的速度。一般认为这是蒸汽机车的速度极限。
蒸汽机车在二十世纪中开始被内燃机车所取代。1960年代末，世界上仍然有使用蒸汽机车作商业运作的国家已寥寥无几。到了二十世纪末，蒸汽机车在北美洲及欧洲基本上已被完全淘汰，只会间中在特别为铁道迷及游客安排的路线上行走。墨西哥仍有很少量的蒸汽机车在偏远的地方运作。
在中国，某些地区煤炭的价格比石油低很多，使蒸汽机车仍然有它们的价值。中国曾经是全球最后一个制造大型蒸汽机车的国家，位于山西的大同车辆段一直生产蒸汽机车至1988年；哈尔滨火车站在1990年代中期仍旧能够看到为数不少的蒸汽机车，而位于同一个省份的牡丹江火车站则可以看到停放在一旁供人参观的1930年代日本小型蒸汽机车。近年中国蒸汽机车的数量在迅速减少。
印度曾经大量使用蒸汽机车，但现在它们只会在空气稀薄的山区运作。
柴油机车是指所有动力来源为柴油发动机的铁路机车。自20世纪中开始柴油机车在世界大部分地方成为主要铁路机车种类，因为柴油机车可以直接取代蒸汽机车，不像电力机车必须依赖其他的电力传送设施，如高架线或第三轨。不过自1950年代起电力机车在传动力、加速力、和最高速度上逐渐超越柴油机车。依照动力传动方式的不同，柴油机车又可分为电力传动、液力传动、和机械传动三大分类。
二次大战后很多国家都曾经尝试制造燃气机车。燃气机车使用的燃气涡轮发动机与喷射飞机的基本一样，但是输出改为推动旋转轴。多数的燃气机车的燃气发动机都是以均速运行，带动发电机发电，由电动机推动车轮。
燃气机车输出的功率非常大，但它们产生的噪音亦非常严重，听起来好像和飞机一样。燃气机车的效率亦欠佳；最初这不是一个问题，因为燃气机车可以使用当时非常廉价的燃料：重油。后来炼油技术能够把重油分解成汽油，燃气机车于是失去了廉价的燃料。1970年代能源危机后，燃气机车的运作成本变得很高。现在多数已被淘汰。
电力机车使用的能量，由车外经过高架电缆或第三轨提供，在不使用超级电容的情况下只能在电气化铁路行驶。虽然把铁路电气化的价格很高，但是电力动车组和电力机车的运作成本比内燃机车为低，也不会造成沿线的空气污染。而且电气化列车的加速性能及再生制动都比较良好，因此十分适合在乘客密集的客运线上使用。绝大部分的高速铁路都是以电力推动，因为它们所需要的大动量能很难完全由放在车上的发动机直接产生。电力机车的供电电压很高，可以减少馈线用铜量。控制电力机车电机的先进技术包括VVVF，就是变压变频技术。
印尼安巴拉华铁路博物馆（英语：Ambarawa Railway Museum）的B-5112蒸气机车。
印度铁路公司的WDM-3A（英语：Indian locomotive class WDM-3A）柴油机车停在印度的桑蒂尼盖登
西班牙现代电力机车高铁102型（英语：AVE Class 102）牵引Talgo客车行驶
伯灵顿北方铁路（英语：Burlington Northern Railroad）公司的EMD GP50型柴电驱动车头（英语：EMD GP50）
瑞士布里格的电力机车；留意右上方的是阿尔卑斯山。
意大利国铁E626型机车（英语：FS Class E.626）现在被封存在拉斯博齐亚的国家交通博物馆。
通用电气 P42DC 柴电机车是现时美铁的主力机车。
斯里兰卡国营铁路部门（英语：Sri Lanka Railways）用作客运和货运的G12型柴油机车。
JR西日本的EF65型客运及货运电力机车在冈山县行驶。
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