柴油機車具有高功率強化柴油機的典型特征,一般為四沖程V型機,以12缸、16缸最為普遍,也有直列式6、8、10缸的。柴油機的寬度和高度受鐵路機車車輛限界標準的限制，機車的允許軸重對柴油機重量也有一定的限制?，F代機車柴油機不斷提高增壓度（見內燃機增壓），同時加大氣缸排量。大功率柴油機的單機功率已達5000千瓦，平均有效壓力為1.3～2.0兆帕，燃料消耗率為200～225克/（千瓦·時）。柴油機的附件,如冷卻水散熱器、風扇和空氣濾清器等均布置在機車廂內，機油濾清器、機油換熱器一般也布置在機車廂內。柴油機幾乎都采用電起動方式,只有個別的采用空氣起動。調速系統大多采用液壓全速調速器,并裝有超速停機、油壓保護和超溫卸載等自動保護裝置。

柴油機車發展重點是在機車車輛限界和機車軸重允許的條件下不斷提高功率，一個重要的趨勢是采用低壓縮比與二級增壓相配合的方法提高功率；提高可靠性和耐久性以延長柴油機壽命;提高經濟性,特別是改善部分負荷、過渡工況和空轉時的經濟性；應用電子技術實現運行工況優化和故障自動監控；降低噪聲和減少排氣中的有害成分，防止污染；改善機車用柴油機增壓器的跟隨性等。