蒸汽機車是利用蒸汽機將燃料（通常是煤）的化學能轉化為熱能再轉化為機械能來運行機車的機車。

蒸汽機車是用于運輸的蒸汽機的一個例子。蒸汽機靠蒸汽膨脹工作，蒸汽機車的工作原理也不例外。加煤機將煤填入爐膛時，煤中所含的化學能在燃燒過程中轉化為熱能，機車鍋爐內的水被加熱汽化，形成400℃以上的過熱蒸汽，然后進入蒸汽機擴展和執行工作。它推動蒸汽機的活塞往復運動，活塞通過連桿和搖桿將往復直線運動變成圓周運動，帶動機車的動輪轉動，從而拉動火車前進。因此，一臺蒸汽機車需要具備三個基本部分：鍋爐、蒸汽機和運行。

蒸汽機車的熱效率很低。鍋爐中燃料燃燒產生的熱量只有一部分轉化為蒸汽的熱能。鍋爐的效率一般為50%～80%。蒸汽在汽輪機中工作，汽輪機的效率只有10%～15%。此外，在將力從渦輪傳遞到輪周的過程中，機械效率為80%～95%。因此，蒸汽機車的熱效率只有8%~9%，而燃料還需要在機車段進行停放、備料和停放，所以實際熱效率只有5%~7%。

蒸汽機車按工作流體的用途可分為以下幾類：

①單膨脹機車，蒸汽在汽缸內膨脹后排入大氣。該機車結構簡單，應用廣泛。

②再膨脹機車，蒸汽在一個或一對氣缸（高壓氣缸）中膨脹，然后進入另一個或一對氣缸（低壓氣缸）進行再膨脹，然后排放到大氣中。這種機車雖然熱效率高，但結構較復雜，使用較少。

③冷凝機車，廢氣進入安裝在鍋爐尾部的冷凝器冷凝成水，然后泵入鍋爐重復使用，損失的水由鍋爐水補充。機車結構非常復雜，多用于缺水地區。

④飽和蒸汽機車和過熱蒸汽機車，由于機車采用過熱器提高蒸汽溫度，大大提高了蒸汽機的效率，將飽和蒸汽機車改造成過熱蒸汽機車。