火车用内燃机的工作原理与汽车用内燃机的工作原理完全相同。两者的不同之处主要气缸数、气缸直径和功率大小的区别。
火车用内燃机基本都是四冲程柴油机，气缸数至少16个以上，单机功率至少在2000千瓦以上。
火车用柴油机的工作原理如下：火车柴油机完成一个工作循环时，活塞需要进行四个冲程，这四个冲程也就是进气、压缩、膨胀做功和排气，曲轴旋转两圈。
燃料在汽缸内燃烧，所产生的高温高压气体在汽缸内膨胀，推动活塞往复运动，连杆带动曲轴旋转对外做功，燃料的热能转化为机械功。
柴油机发出的动力传输给传动装置，对柴油机、传动装置的控制和调节，将适应机车运行工况的输出转速； 转矩送到每个车轴齿轮箱驱动动轮，动轮产生的轮周牵引力传递到车架，由车架端部的车钩变为挽钩牵引力来拖动或推送车辆。
