在十九世纪最先出现的机车是以蒸汽推动的。到二次大战结束时，蒸汽机车仍是最常见的机车。[1][2] 现存昆明铁路博物馆的蒸汽机车
第一部蒸汽机车是由英国人乔治·斯蒂芬森（George Stephenson,1781-1848）制造的，1814年，他研制的第一辆蒸汽机车“布拉策号”试运行成功。1825年9月27日，斯蒂芬森亲自驾驶他同别人合作设计制造的“旅行者号”蒸汽机车在新铺设的铁路上试车，并获得成功。蒸汽机在交通运输业中的应用，使人类迈入了“火车时代”，迅速的扩大了人类的活动范围。
蒸汽机车的速度纪录是由英国的4-6-2 Mallard所创下。1938年7月3日，4668号Mallard拖着六个车厢，在一个稍微下坡路段创下时速126英里(203公里)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，位于山西的大同车厂一直生产蒸汽机车至1988年；但中国蒸汽机车的数量亦在迅速减少。印度曾经大量使用蒸汽机车，但它们只会在空气稀薄的山区运作。2005年12月9日，在内蒙古大板附近的铁道边上，最后一列蒸汽机车执行完任务后，见证了蒸汽机车退出干线运营的最后一刻。[1][2] 蒸汽机
蒸汽机车问世至今已有近200年的历史。它的发展有两个方面：一方面是牵引力和功率的发展，表现为动轮轴数和辅助轴数的增加，锅炉和汽缸的加大；另一方面是热效率和机械效率的发展，表现为炉床面积和锅炉受热面积的增大，蒸汽压力和温度的提高，废热的利用，蒸汽机的改进，滚动轴承的采用等等。[1][2] 蒸汽机车
瓦特改进蒸汽机后[7][8] ，1814年英国人R.特里维西克创造了一辆铁路蒸汽机车（图1），锅炉蒸汽压力为0.294兆帕（3.0千克力/厘米2），锅炉内装有一个平放的汽缸。机车有两对动轮，由齿轮传动,轴列式为0-2-0。机车装有一个大飞轮，借助于它的旋转惯性动力，保持汽缸活塞的往复运动。机车重4.5吨，时速8公里，能牵引10吨货物，5节车，可乘70名旅客。这一实践证实两个重要现象：光滑的铁的机车驱动轮可在光滑的铁轨上运行而不会空转；机车可以拖动比机车本身重得多的东西。后人继起研究，得知轮轨间粘着力、粘着重量、粘着系数、粘着牵引力等的相互关系。这个问题涉及如何利用有限的机车粘着重量牵引更多的载重，至今仍在继续探讨。
1814年7月英国发明家乔治·斯蒂芬森造出他的第一辆机车，被誉为首次成功的机车。后来主要由乔治·斯蒂芬森之子R.斯蒂芬森设计建造的“火箭”号蒸汽机车（见彩图）于1829年10月参加蒸汽机车比赛，以运行可靠、速度最快得奖。比赛时最高时速为47公里。“火箭”号机车采用卧式多烟管锅炉，传热面积大，生成蒸汽快，锅胴与火箱拼接在一起，锅炉蒸汽压力为0.345兆帕（3.5千克力/厘米2）；有两个与水平线成35°角斜装于锅炉两后侧的汽缸；有一对装于机车前部的动轮，动轮车轴左右各装一曲拐，互成直角，使机车动轮曲拐停在任何位置均能起动，轴列式为0-1-1。乏汽从烟筒喷出，以诱导通风，促进燃烧。“火箭”号重4吨，能牵引装载重量三倍于机车自重的车厢。这是第一辆初具现代蒸汽机车基本构造特征的蒸汽机车。1830年R.斯蒂芬森又造出“行星”号机车，将卧式锅炉的内外火箱和烟箱制成一整体，这种形式的锅炉后称为机车式锅炉。“行星”号机车的两个汽缸装于锅炉前端的烟箱下部车架内侧水平位置，称为内汽缸式机车，只有一对动轮，装在后部，轴列式为1-1-0。运行时上下颠抖减轻。蒸汽机车的基本构造形式除广泛采用外汽缸式（汽缸装于车架前端两外侧）外，迄今无多大变化。[1][2] 火箭号