柴油机车具有高功率强化柴油机的典型特征,一般为四冲程V型机,以12缸、16缸最为普遍,也有直列式6、8、10缸的。柴油机的宽度和高度受铁路机车车辆限界标准的限制，机车的允许轴重对柴油机重量也有一定的限制。现代机车柴油机不断提高增压度（见内燃机增压），同时加大气缸排量。大功率柴油机的单机功率已达5000千瓦，平均有效压力为1.3～2.0兆帕，燃料消耗率为200～225克/（千瓦·时）。柴油机的附件,如冷却水散热器、风扇和空气滤清器等均布置在机车厢内，机油滤清器、机油换热器一般也布置在机车厢内。柴油机几乎都采用电起动方式,只有个别的采用空气起动。调速系统大多采用液压全速调速器,并装有超速停机、油压保护和超温卸载等自动保护装置。

柴油机车发展重点是在机车车辆限界和机车轴重允许的条件下不断提高功率，一个重要的趋势是采用低压缩比与二级增压相配合的方法提高功率；提高可靠性和耐久性以延长柴油机寿命;提高经济性,特别是改善部分负荷、过渡工况和空转时的经济性；应用电子技术实现运行工况优化和故障自动监控；降低噪声和减少排气中的有害成分，防止污染；改善机车用柴油机增压器的跟随性等。