В 1896 г. на пассажирских паровозах типа 2-3-0, получивших впоследствии обозначение серии А1, был применен более совершенный парораспределительной механизм Вальсхарта (иногда называемый механизмом Гейзингера или Гейзингера-фон-Вальдетт).
16 апреля 1912 г. Циркуляром Управления железных дорог Министерства путей сообщения была введена разработанная профессором Ю.В. Ломоносовым единая система обозначения серий паровозов как для казенных, так и для существовавших еще в то время частных железных дорог. Это позволило присвоить одну и ту же букву в обозначении серии однотипным паровозам независимо от того, кем они заказывались и на какой дороге работали. Все старые товарные паровозы типов 0-3-0, 1-3-0 и 0-3-1 по новой системе получили обозначение серии Т (трехосные); паровозы типа 0-4-0, построенные до паровозов "нормального типа", - Ч (четырехосные); пассажирские паровозы типов 1-2-0, 0-2-1, 2-2-1 и часть типа 2-2-0 - Д (двухосные). Серии остальных паровозов стали обозначаться другими буквами русского алфавита, причем рядом с буквой ставился верхний индекс в виде заглавной или прописной буквы, называвший на ту или иную конструктивную особенность паровоза. Кроме того, для указания завода, построившего паровоз, использовались нижние индексы: к - Коломенский, п - Путиловский, н - Невский, Б - Брянский и т.д.
После 1918 г. количество неисправных паровозов доходило до 60% общего наличия. Наиболее мощные по тому времени паровозы серий Э и Е составляли от общего числа соответственно около 4 и 2%, Парк грузовых локомотивов состоял преимущественно из маломощных паровозов серий Щ и О. Поэтому основной за дачей первых лет этого периода стало восстановление парка старых и создание новых паровозов,
Все грузовые паровозы в 1918-1944 гг. строились с простыми двухцилиндровыми машинами, работавшими на перегретом паре, с парораспределительным кулисным механизмом Вальсхарта и автоматическими тормозами.
Большие работы в послереволюционный период были проведены по модернизации существовавшего паровозного парка. Многие ранее построенные паровозы оборудовались раздвижными золотниками системы И.О. Трофимова, пароперегревателями, водоподогревателями, электрическим освещением, автотормозами и другими устройствами.
В послереволюционные годы началось быстрое развертывание научно-исследовательских работ по паровозам. На базе организованной крупнейшим специалистом в области тяги поездов профессором Ю. В, Ломоносовым (1875 - 1952 гг.) конторы опытов над типами паровозов (1912 г) был создан Научно-экспериментальный институт путей сообщения, в котором было подразделение, занимавшееся испытанием паровозов. В 1928 г. вместо этого института были организованы несколько отраслевых институтов, в том числе Научно-исследовательский институт тяги НКПС, получивший в 1931 г. наименование Научно-исследовательский институт реконструкции тяги НКПС (ИРТ). В 1932 г, в него было включено Бюро по проектированию паровоза типа 2-7-2, которое до этого размещалось в Московском институте инженеров транспорта (МИИТе). После слияния в 1935 г. отраслевых институтов НКПС в один Научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта исследованиями паровозов начало заниматься Локомотивное отделение этого института.
В конце 1940 г. в системе НКПС вновь были созданы отраслевые институты, которые просуществовали меньше года. В это время вопросами паровозов занимался Научно-исследовательский институт паровозов, вагонов н энергетики. Затем в 1941 г. был опять образован объединенный институт - Всесоюзный научно-исследовательский институт железнодорожного транспорта, отделение паровозного хозяйства которого продолжило испытания паровозов.
Основным видом тяги на железных дорогах России в первое послевоенное десятилетие оставалась паровая тяга. Естественно, что ей было уделено большое внимание. Помимо серийного выпуска грузовых паровозов типов 1-5-0 и 0-5-0 и пассажирских паровозов типа 1-3-1 в период 1945 - 1955 гг., были построены опытные партии и экспериментальные грузовые паровозы типов 1-5-1, 1-5-2, 1-3-0 0-3-1 и 1-4-0, а также пассажирские паровозы типа 2-4-2. В послевоенные годы был проведен ряд мер по модернизации действующего паровозного парка. Продолжалось оборудование паровых машин раздвижными золотниками системы И.О. Трофимова, мелкотрубные пароперегреватели заменялись широкотрубными, устанавливались скоростемеры, совершенствовался парораспределительный механизм и т.д.
Идея применения для тяги поездов двигателя внутреннего сгорания, работающего на жидком топливе и обладающего более высоким к. п. д. по сравнению с паровой машиной, возникла у российских инженеров еще в конце XIX в. Так, в 1894 г. по идее профессора В.Л. Кирпичева разрабатывался проект локомотива, который назывался нефтевозом, поскольку должен был иметь нефтяные двигатели, т.е. двигатели, работающие на нефти. Зажигание (воспламенение) топ-пива в таких двигателях осуществлялось с помощью калоризатора (калильной головка), а сами двигатели имели относительно низкую степень сжатия. На нефтевозе, помимо цилиндров двигателей внутреннего сгорания, предполагалось установить цилиндры, работающие на паре. С помощью последних намечалось осуществлять трогание и первоначальный разгон нефтевоза, после чего переходить на совместную работу этих цилиндров с цилиндрами двигателей внутреннего сгорания. Таким образом, локомотив профессора Кирпичева был как бы прообразом теплопаровоза.
В 1897 г. немецкий инженер Рудольф Дизель изобрел более совершенный по сравнению с нефтяным двигатель внутреннего сгорания, работавший также на тяжелых видах жидкого топлива и имевший высокую степень сжатия, которая обеспечивала самовоспламенение впрыскиваемого в цилиндры топлива. Этот двигатель получил наименование двигатель Дизеля или просто дизель.
С 1905 г, над созданием дизеля специально для локомотивов работал профессор Императорского технического училища (с 1917 г. Московское высшее техническое училище) В.И. Гриневецкий.
Цикл в данном двигателе осуществлялся не в одном, а в трех цилиндрах: А - воздушном, В - сожигательном, С - расширительном. В первом из них происходило предварительное сжатие рабочего воздуха; во втором - последующее сжатие, горение и расширение, которое продолжалось затем в третьем цилиндре, откуда продукты горения выталкивались в атмосферу. Все три цилиндра работали как двухтактные машины двойного действия. Благодаря принятой схеме расположения цилиндров двигатель имел два преимущества: относительную простоту конструкции и приспособленность для тяги поездов. В 1909 г. разработкой проекта тепловоза начали заниматься инженеры службы тяги Ташкентской железной дороги Ю.В. Ломоносов, А, И. Липец и техник Тутышкин.
В 1913 г.А.И. Липец уже в Оренбурге закончил Проект тепловоза с непосредственной передачей и холодильником, выполненным по принципу градирни. Мощность этого тепловоза соответствовала мощности паровоза серии Щ; при скорости - 12 км/ч он должен был развивать силу тяги на ободе колес 12000 кгс. Для тепловоза А. И, Липец разработал фрикционную передачу со скольжением - "пневматическую сцепку", которая была впоследствии построена Оренбургскими мастерскими и установлена на одном из паровозов типа 0-3-0. Передача работала удовлетворительно, но пневматические устройства вследствие грубого изготовления доставляли Много неудобств при эксплуатации.
В 1915 Г. появился проект тепловоза с зубчатой передачей. В этом проекте впервые предусматривалась постановка на тепловозе горизонтального двухвального двухтактного двигателя Юнкерса с передачей мощности на движущие оси через трехступенчатую коробку скоростей.
Данный проект не был осуществлен, но многие его элементы были использованы в более поздних проектам тепловозов.
В процессе развития отечественного железнодорожного транспорта совершенствовалась система эксплуатации локомотивов. При этом происходило изменение способов обслуживания локомотивов бригадами, длин участков обращения локомотивов, технологии ремонтов тягового подвижного состава, а следовательно, и методов использования (эксплуатации) локомотивов. Так, например, в 1927-1930 гг. было организовано массовое применение сменной езды при паровозной тяге. Но при этом было ослаблено внимание к техническому содержанию локомотивного парка и, как следствие, возврат к принятой ранее прикрепленной езде, С начавшейся в 1956 г заменой паровозов тепловозами и электровозами появились новые формы и методы эксплуатации локомотивов, обслуживание их сменными локомотивными бригадами, вождение поездов без отцепки локомотивов от поезда на расстояние до 1000 км и более. Вместе с тем изменилась система технического обслуживания и текущего ремонта локомотивов; возросли вес (масса) поездов и скорости движения. Тяговые плечи в 100-120 км были объединены в удлиненные и разветвленные участки обращения протяженностью 600-800 км и более, что обеспечило сокращение на участковых и сортировочных станциях непроизводительных простоев локомотивов, позволило увеличить их среднесуточный пробег а также повысить производительность труда локомотивных бригад. При сменной езде создаются наилучшие условия работы и отдыха локомотивных бригад, обеспечивается широкое применение именных графиков их работы, возможность быстрой адаптации локомотивов и бригад к меняющимся условиям перевозочного процесса.