20世紀(jì)初，由于用三級膨脹式蒸汽機(jī)和帶過熱器的機(jī)車，燃料消耗率進(jìn)一步降低。機(jī)車和列車的結(jié)構(gòu)有了較大改進(jìn)。1936年至1938年間，英國的格萊斯雷先后設(shè)計(jì)出非流線形的“太平洋”號(hào)和流線形的“大西洋”號(hào)機(jī)車，時(shí)速分別達(dá)到182.5公里和203.5公里。1938年法國制成時(shí)速為202公里的高速蒸汽機(jī)車。
由于蒸汽機(jī)車燃料消耗率高，體大笨重，污染嚴(yán)重，以后逐漸被柴油機(jī)車和電力機(jī)車所取代。1926年至1929年間，德國制成直接用齒輪傳動(dòng)的和壓縮空氣傳動(dòng)的柴油機(jī)車。1932年在德國的柏林至漢堡和英國的東北鐵路上分別出現(xiàn)時(shí)速為125和101.5公里的柴油機(jī)車。但由于柴油成本高和機(jī)車速度尚低于蒸汽機(jī)車，在歐洲未能推廣。美國則因柴油比較便宜，并在 1935年出現(xiàn)了標(biāo)準(zhǔn)化的組合式柴油機(jī)，大大促進(jìn)了柴油機(jī)車的發(fā)展，1945年已有4000臺(tái)。
60年代初各發(fā)達(dá)國家開始成批生產(chǎn)4000～6000馬力的柴油機(jī)車。到70年代前期，柴油機(jī)車功率已成系列，數(shù)量滿足要求，很多國家停止使用蒸汽機(jī)車。1981年，英國制成時(shí)速高達(dá)270公里的高速柴油機(jī)車。
繼柴油機(jī)車之后，電力機(jī)車又逐步發(fā)展起來。1879年柏林博覽會(huì)展出第一臺(tái)可供實(shí)用的電力機(jī)車，并在德國使用。電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速可隨負(fù)載在一定范圍內(nèi)變化，運(yùn)行安全，設(shè)備簡單，無污染，操縱和制動(dòng)方便，而且還可以從發(fā)電站接受強(qiáng)大的電源，在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生必需的起動(dòng)功率，便于高速行駛。
1955年，法國制成高速電力機(jī)車，時(shí)速達(dá)332公里，1981年又增加到380公里。電力機(jī)車的最大困難是架空線路和變電設(shè)備成本過高問題，美國用單相交流電進(jìn)行遠(yuǎn)距離輸電，其成本比直流線路低三分之二，因而被廣泛采用，迎來電力機(jī)車大發(fā)展的新時(shí)期。
“長辮子”火車
1879年出世的世界第一臺(tái)電力機(jī)車，是利用兩條鐵軌之間的第三條軌將電力引進(jìn)機(jī)車?yán)锏�。這種供電方式適合于電壓和功率都比較低的情況。
隨著電力機(jī)車的發(fā)展，要使它跑得快，運(yùn)載量大，就得提高電力機(jī)車供電系統(tǒng)的電壓和功率，因而需要使用高壓輸電線和變電裝置。在這種情況下，就不能再使用設(shè)在地面上的第三條軌供電的方式了，因?yàn)檫@既不安全，又給使用帶來不便。
1881年，德國試驗(yàn)成功一種適合以高壓輸電線供電的電力機(jī)車新的供電系統(tǒng)，叫做“架空接觸導(dǎo)線”供電系統(tǒng)，也就是將電力機(jī)車的供電線路由地面轉(zhuǎn)向空中。實(shí)際上，這種供電系統(tǒng)和現(xiàn)在城市中的有軌電車相似，在車頂上裝著一條“長辮子”。它與以前使用蓄電池的電動(dòng)機(jī)車的主要不同在于，它自身不帶電源，由電廠供電，所以機(jī)車的結(jié)構(gòu)比較簡單，但需要一套供電設(shè)備。
這種裝有“長辮子”的火車，依靠裝在車頂上的受電弓子把電力從架在空中的電線上引到機(jī)車?yán)铩８邏狠旊娋�送來的電是高達(dá)110千伏的三相交流電，必須經(jīng)過牽引變電所變成25千伏的單相交流電，方能供機(jī)車使用。因此，在電力機(jī)車行駛的鐵道沿線上，每隔50公里左右設(shè)一個(gè)牽引變電所。變電所的電又被送到鄰近的沿線接觸網(wǎng)上，通過機(jī)車上的受電弓將交流電引到機(jī)車的整流器上，把交流電變成直流電，使直流電動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)，再經(jīng)過一套傳動(dòng)裝置，帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，機(jī)車就會(huì)跑動(dòng)起來。
電力機(jī)車雖然問世較早，但直到20世紀(jì)60年代才開始受到人們的重視，被大量普遍地使用起來，已成為鐵路機(jī)車家族中的佼佼者。
人們將電力機(jī)車稱為神通廣大的“火車頭”，就是因?yàn)樗日羝麢C(jī)車有著以下獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：
一是它的馬力大，拉得多、跑得快、爬坡的勁頭足。例如，我國在 50年代末期修筑的第一條電氣化鐵路——寶 （雞）成（都）鐵路，就充分發(fā)揮了電力機(jī)車的優(yōu)越性。從寶雞到成都，第一道關(guān)口就是要翻越氣勢雄偉的秦嶺。過去用3臺(tái)蒸汽機(jī)車?yán)涣?50噸貨車上秦嶺時(shí)，像老牛拉車每小時(shí)才行走18公里。蒸汽機(jī)車下坡時(shí)是靠閘瓦制動(dòng)的，而閘瓦因摩擦就會(huì)變熱，如果不及時(shí)冷卻就難以將機(jī)車制動(dòng)住。為了保證行車的安全，蒸汽機(jī)車的下坡速度比爬還慢，有時(shí)甚至走走停停，以便使受熱的閘瓦有足夠的時(shí)間冷卻。后來用3臺(tái)電力機(jī)車取代同樣數(shù)量的蒸汽機(jī)車，就能拉著2400噸的貨物，以時(shí)速50公里快速上坡，比蒸汽機(jī)車在運(yùn)貨量和速度上都提高了近兩倍。電力機(jī)車下坡時(shí)，采用電阻制動(dòng)，使列車能以每小時(shí)40公里的速度下坡，既快速又安全。
二是電力機(jī)車用的是“干凈”的電能，它不冒黑煙、揚(yáng)灰渣，因而不會(huì)污染環(huán)境。即便是通過幾公里長的隧道，旅客也不必?fù)?dān)心濃煙和廢氣熏人，也不會(huì)被討厭的煤灰渣迷住眼睛或弄臟衣服。
