หัวรถจักรดีเซลขับเคลื่อนด้วยเครื่องยนต์ดีเซลในช่วงแรกของการพัฒนาระบบขับเคลื่อนด้วยดีเซล มีการใช้ระบบส่งกำลังหลายแบบซึ่งประสบความสำเร็จในระดับที่แตกต่างกัน และระบบส่งกำลังไฟฟ้าก็ได้รับความนิยมมากที่สุด ในปี 1914 เฮอร์มันน์ เลม ป์ วิศวกร ไฟฟ้า ของเจเนอรัลอิเล็กทริกได้พัฒนาและจดสิทธิบัตรระบบควบคุมไฟฟ้ากระแสตรง ที่เชื่อถือได้ (การปรับปรุงในภายหลังก็ได้รับการจดสิทธิบัตรโดยเลมป์เช่นกัน) ^{[ 19 ]}การออกแบบของเลมป์ใช้คันโยกเดียวในการควบคุมทั้งเครื่องยนต์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าอย่างประสานงานกัน นับเป็นต้นแบบ ของการควบคุม หัวรถจักรดีเซลไฟฟ้าทั้งหมดในปี 1917–1918 GE ได้ผลิตหัวรถจักรดีเซลไฟฟ้าทดลอง 3 คันโดยใช้การออกแบบควบคุมของเลมป์^{[ 20 ]}ในปี 1924 หัวรถจักรดีเซลไฟฟ้า ( E ^el 2หมายเลขเดิม Юэ 001/Yu-e 001) เริ่มใช้งาน โดยได้รับการออกแบบโดยทีมงานที่นำโดยยูรี โลโมโนซอฟและสร้างขึ้นในปี 1923–1924 โดยMaschinenfabrik Esslingenในประเทศเยอรมนี มีเพลาขับห้าเพลา (1'E1') หลังจากทดลองขับหลายครั้ง ก็ลากรถไฟเป็นเวลาเกือบสามทศวรรษตั้งแต่ปี 1925 ถึง 1954 ^{[ 21 ]}

ระบบแรกสุดเป็น ระบบ ไฟฟ้ากระแสตรง (DC ) รถไฟโดยสารไฟฟ้าขบวนแรกถูกนำเสนอโดยเวอร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ที่กรุงเบอร์ลินในปี 1879 หัวรถจักรขับเคลื่อนด้วย มอเตอร์แบบอนุกรมขนาด 2.2 กิโลวัตต์ และขบวนรถไฟซึ่งประกอบด้วยหัวรถจักรและตู้โดยสารสามตู้ สามารถวิ่งด้วยความเร็ว 13  กิโลเมตรต่อชั่วโมง ในช่วงสี่เดือน รถไฟขบวนนี้ขนส่งผู้โดยสาร 90,000 คน บน รางวงกลม ยาว 300 เมตร (980 ฟุต)ไฟฟ้า (150 โวลต์ DC) ถูกส่งผ่านรางฉนวนที่สามระหว่างรางรถไฟ โดยใช้ลูกกลิ้งสัมผัสในการเก็บรวบรวมไฟฟ้า รถรางไฟฟ้าสายแรกของโลกเปิดให้บริการที่ลิชเตอร์เฟลเดอ ใกล้กรุงเบอร์ลิน ประเทศเยอรมนี ในปี 1881 สร้างโดยเวอร์เนอร์ ฟอน ซีเมนส์ (ดู รถรางกรอสส์-ลิชเตอร์เฟลเดอและรถไฟเบอร์ลิน ) รถไฟฟ้าระบบรางเบาของชาวเยอรมัน (Volk's Electric Railway ) เปิดให้บริการในปี 1883 ที่ไบรตัน และเป็นรถไฟฟ้าระบบรางเบาที่เก่าแก่ที่สุดที่ยังคงใช้งานอยู่ นอกจากนี้ ในปี พ.ศ. 2426 รถราง Mödling และ Hinterbrühlเปิดให้บริการใกล้กับกรุงเวียนนา ประเทศออสเตรีย นับเป็นรถรางคันแรกของโลกที่ให้บริการเป็นประจำ โดยใช้พลังงานจากสายส่งเหนือศีรษะ ห้าปีต่อมา ในสหรัฐอเมริการถราง ไฟฟ้า ได้รับการบุกเบิกในปี พ.ศ. 2431 บนทางรถไฟโดยสาร Richmond Unionโดยใช้อุปกรณ์ที่ออกแบบโดยFrank J. Sprague ^{[ 23 ]}

รถไฟ ใต้ดินสายแรกที่ใช้พลังงานไฟฟ้าคือCity & South London Railwayซึ่งได้รับแรงกระตุ้นจากข้อกำหนดในพระราชบัญญัติที่ห้ามการใช้พลังงานไอน้ำ^{[ 24 ]}เปิดให้บริการในปี พ.ศ. 2433 โดยใช้หัวรถจักรไฟฟ้าที่สร้างโดยMather & Platt ไฟฟ้ากลายเป็นแหล่งพลังงานที่ได้รับความนิยมสำหรับรถไฟใต้ดินอย่างรวดเร็ว โดยได้รับการสนับสนุนจากการประดิษฐ์ ระบบควบคุมรถไฟหลายขบวนของ Sprague ในปี พ.ศ. 2440

การใช้ระบบไฟฟ้าครั้งแรกบนเส้นทางหลักเกิดขึ้นบน เส้นทาง Baltimore Belt Lineระยะทางสี่ไมล์ของBaltimore & Ohio (B&O) ในปี พ.ศ. 2438 โดยเชื่อมต่อส่วนหลักของ B&O กับเส้นทางใหม่ไปยังนิวยอร์กผ่านอุโมงค์หลายแห่งรอบขอบเมืองบัลติมอร์ ในตอนแรกมีการใช้หน่วย Bo+Bo สาม หน่วยที่ปลายด้านใต้ของส่วนที่ใช้ระบบไฟฟ้า โดยจะต่อเข้ากับหัวรถจักรและขบวนรถแล้วลากผ่านอุโมงค์^{[ 25 ]}

ระบบไฟฟ้ากระแสตรง (DC) ถูกใช้ในระบบรุ่นก่อนๆ ต่อมาระบบไฟฟ้ากระแสสลับ (AC) ค่อยๆ เข้ามาแทนที่ ปัจจุบัน รถไฟสายหลักเกือบทั้งหมดใช้ระบบไฟฟ้ากระแสสลับ ระบบไฟฟ้ากระแสตรงส่วนใหญ่จำกัดอยู่เฉพาะระบบขนส่งในเมือง เช่น รถไฟใต้ดิน รถไฟรางเบา และรถราง ซึ่งมีความต้องการใช้พลังงานต่ำกว่า

หัวรถจักรไฟฟ้า กระแสสลับแบบใช้งานได้จริงคันแรกได้รับการออกแบบโดยCharles Brownซึ่งขณะนั้นทำงานให้กับOerlikonในซูริค ในปี 1891 Brown ได้สาธิตการส่งกำลังไฟฟ้าทางไกลโดยใช้ไฟฟ้ากระแสสลับสามเฟสระหว่างโรงไฟฟ้าพลังน้ำที่Lauffen am NeckarและFrankfurt am Main West ซึ่งมีระยะทาง 280  กิโลเมตร โดยใช้ประสบการณ์ที่เขาได้รับขณะทำงานให้กับJean Heilmannในการออกแบบหัวรถจักรไอน้ำ-ไฟฟ้า Brown สังเกตว่ามอเตอร์สามเฟสมีอัตราส่วนกำลังต่อน้ำหนักสูงกว่า มอเตอร์ กระแสตรงและเนื่องจากไม่มีคอมมิวเทเตอร์จึงผลิตและบำรุงรักษาได้ง่ายกว่า^{[ a ]}อย่างไรก็ตาม มอเตอร์เหล่านี้มีขนาดใหญ่กว่ามอเตอร์กระแสตรงในสมัยนั้นมาก และไม่สามารถติดตั้งในโบกี้ ใต้พื้น ได้ จึงต้องติดตั้งไว้ภายในตัวหัวรถจักรเท่านั้น^{[ 27 ]}

ในปี ค.ศ. 1894 วิศวกรชาวฮังการีKálmán Kandóได้พัฒนามอเตอร์และเครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส 3 เฟสชนิดใหม่สำหรับหัวรถจักรไฟฟ้า มอเตอร์ขับเคลื่อนไฟฟ้าแบบอะซิงโครนัส 3 เฟสแบบใหม่นี้มีประสิทธิภาพมากกว่ามอเตอร์ซิงโครนัสที่ใช้ในการออกแบบหัวรถจักรรุ่นก่อนหน้า การออกแบบของ Kandó ในปี ค.ศ. 1894 ได้ถูกนำไปใช้ครั้งแรกในรถรางไฟฟ้ากระแสสลับ 3 เฟสขนาดสั้นในเมือง Evian-les-Bains (ประเทศฝรั่งเศส) ซึ่งสร้างขึ้นระหว่างปี ค.ศ. 1896 ถึง 1898 ^{[ 28 ] [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ] [ 32 ]}ในปี ค.ศ. 1918 ^{[ 33 ]} Kandó ได้คิดค้นและพัฒนาตัวแปลงเฟสแบบหมุนทำให้หัวรถจักรไฟฟ้าสามารถใช้มอเตอร์ 3 เฟสได้ในขณะที่ได้รับพลังงานผ่านสายไฟเหนือศีรษะเส้นเดียว ซึ่งเป็นสายส่งไฟฟ้ากระแสสลับเฟสเดียวความถี่อุตสาหกรรม (50  Hz) ของเครือข่ายไฟฟ้าแรงสูงระดับประเทศ^{[ 34 ]}

ในปี ค.ศ. 1896 บริษัท Oerlikon ได้ติดตั้งระบบเชิงพาณิชย์ระบบแรกบนทางรถรางลูกาโน หัวรถจักรแต่ละคันหนัก 30 ตัน มี มอเตอร์ 110 กิโลวัตต์ (150 แรงม้า) สองตัว ทำงานด้วยไฟฟ้าสามเฟส 750 โวลต์ 40 เฮิรตซ์ จากสายส่งไฟฟ้าเหนือศีรษะคู่ มอเตอร์สามเฟสทำงานด้วยความเร็วคงที่และให้การเบรกแบบสร้างพลังงานกลับคืนและเหมาะอย่างยิ่งสำหรับเส้นทางที่มีความลาดชันสูง หัวรถจักรสามเฟสสำหรับเส้นทางหลักคันแรกนั้นจัดหาโดยบริษัท Brown (ซึ่งในขณะนั้นเป็นหุ้นส่วนกับWalter Boveri ) ในปี ค.ศ. 1899 บน เส้นทาง Burgdorf—Thun ระยะ ทาง 40 กิโลเมตร ในสวิต เซอร์แลนด์ การนำระบบจ่ายไฟกระแสสลับเฟสเดียวความถี่อุตสาหกรรมมาใช้กับหัวรถจักรเป็นครั้งแรกนั้นมาจากบริษัท Oerlikon ในปี ค.ศ. 1901 โดยใช้การออกแบบของHans Behn-EschenburgและEmil Huber- Stockar การติดตั้งบนเส้นทาง Seebach-Wettingen ของการรถไฟแห่งชาติสวิสเสร็จสมบูรณ์ในปี พ.ศ. 2447 หัวรถจักรขนาด 15 kV, 50 Hz 345 kW (460 แรงม้า) น้ำหนัก 48 ตัน ใช้หม้อแปลงและตัวแปลงแบบหมุนเพื่อจ่ายพลังงานให้กับมอเตอร์ขับเคลื่อนกระแสตรง^{[ 35 ]}          

ทางรถไฟของอิตาลีเป็นแห่งแรกของโลกที่นำระบบขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้ามาใช้ตลอดความยาวของเส้นทางหลัก แทนที่จะใช้เพียงช่วงสั้นๆ เส้นทาง Valtellina ระยะทาง 106 กิโลเมตร เปิดให้บริการเมื่อวันที่ 4 กันยายน พ.ศ. 2445 และได้รับการออกแบบโดย Kandó และทีมงานจากโรงงาน Ganz ^{[ 36 ] [ 34 ]}ระบบไฟฟ้าเป็นแบบสามเฟสที่ 3  kV 15  Hz แรงดันไฟฟ้าสูงกว่าที่เคยใช้มาก่อนอย่างมาก ทำให้ต้องออกแบบมอเตอร์ไฟฟ้าและอุปกรณ์สวิตช์ใหม่^{[ 37 ] [ 38 ]}ระบบสามเฟสสองสายนี้ถูกนำมาใช้ในทางรถไฟหลายสายในภาคเหนือของอิตาลี และกลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "ระบบอิตาลี" Kandó ได้รับเชิญในปี พ.ศ. 2448 ให้บริหาร Società Italiana Westinghouse และเป็นผู้นำในการพัฒนารถจักรไฟฟ้าของอิตาลีหลายรุ่น^{[ 37 ]}

รถจักรไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่ (หรือรถจักรแบตเตอรี่) คือรถจักรไฟฟ้าที่ขับเคลื่อนด้วยแบตเตอรี่ ที่ติดตั้งอยู่ภายในตัวรถ เป็น ยานพาหนะไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่ชนิดหนึ่ง

หัวรถจักรประเภทนี้ใช้ในกรณีที่หัวรถจักรดีเซลหรือหัวรถจักรไฟฟ้าแบบทั่วไปไม่เหมาะสม ตัวอย่างเช่น รถไฟบำรุงรักษาบนเส้นทางที่มีไฟฟ้าเมื่อปิดการจ่ายไฟฟ้า อีกการใช้งานหนึ่งคือในโรงงานอุตสาหกรรม ซึ่งหัวรถจักรที่ใช้พลังงานจากการเผาไหม้ (เช่น หัวรถ จักรไอน้ำหรือดีเซล ) อาจก่อให้เกิดความเสี่ยงด้านความปลอดภัยเนื่องจากความเสี่ยงจากไฟไหม้ การระเบิด หรือควันในพื้นที่จำกัด หัวรถจักรแบตเตอรี่เป็นที่นิยมใช้ในเหมืองแร่ที่ก๊าซอาจติดไฟได้จากหน่วยที่ใช้พลังงานจากรถเข็น ที่เกิด การอาร์คที่รองเท้าเก็บรวบรวม หรือในกรณีที่ อาจเกิด ความต้านทานไฟฟ้าในวงจรจ่ายหรือวงจรส่งคืน โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ข้อต่อราง และทำให้เกิดการรั่วไหลของกระแสไฟฟ้าที่เป็นอันตรายลงสู่พื้นดิน^{[ 39 ]}หัวรถจักรแบตเตอรี่ในการให้บริการทางไกลสามารถชาร์จใหม่ได้ในขณะที่ดูดซับพลังงานจากการเบรกแบบไดนามิก^{[ 40 ]}

รถจักรไฟฟ้าคันแรกที่รู้จักกันถูกสร้างขึ้นในปี 1837 โดยนักเคมีRobert Davidsonแห่งเมือง Aberdeenและใช้พลังงานจากเซลล์กัลวานิก (แบตเตอรี่) ต่อมา Davidson ได้สร้างรถจักรขนาดใหญ่ขึ้นชื่อGalvaniซึ่งจัดแสดงใน งานนิทรรศการ Royal Scottish Society of Artsในปี 1841 รถจักร หนัก 7 ตัน (7.1 ตัน; 7.8 ตันสั้น) คัน นี้ มีมอเตอร์แบบรีลักแทนซ์ขับเคลื่อนโดยตรง สองตัว โดยมีแม่เหล็กไฟฟ้าคงที่กระทำต่อแท่งเหล็กที่ติดอยู่กับกระบอกไม้บนเพลาแต่ละข้าง และมีคอมมิวเทเตอร์ แบบง่ายๆ มันสามารถลากน้ำหนักได้6 ตัน (6.1 ตัน; 6.7 ตันสั้น)ด้วย ความเร็ว 4 ไมล์ต่อชั่วโมง (6.4 กิโลเมตรต่อชั่วโมง)เป็นระยะทางหนึ่งไมล์ครึ่ง (2.4 กิโลเมตร)มันถูกทดสอบบนทางรถไฟ Edinburgh และ Glasgowในเดือนกันยายนของปีถัดมา แต่พลังงานที่จำกัดจากแบตเตอรี่ทำให้ไม่สามารถใช้งานได้ทั่วไป^{[ 41 ] [ 42 ] [ 43 ]}    

อีกตัวอย่างหนึ่งคือเหมืองทองแดง Kennecottที่Latouche รัฐอะแลสกาซึ่งในปี 1917 ได้มีการขยายทางขนส่งใต้ดินเพื่อให้รถจักรไฟฟ้าขนาด 4.5 ตันสั้น (4.1 ตัน; 4.0 ตันยาว) สองคันสามารถทำงานได้ ^{[ 44 ]}ในปี 1928 Kennecott Copper ได้สั่งซื้อรถจักรไฟฟ้าซีรีส์ 700 จำนวนสี่คันพร้อมแบตเตอรี่ในตัว รถจักรเหล่านี้มีน้ำหนัก85 ตันสั้น (77 ตัน; 76 ตันยาว)และทำงานบนสายไฟเหนือศีรษะ 750 โวลต์ โดยมีระยะทางที่ไกลขึ้นมากเมื่อวิ่งด้วยแบตเตอรี่^{[ 45 ]}รถจักรเหล่านี้ให้บริการมาหลายทศวรรษโดยใช้ เทคโนโลยี แบตเตอรี่นิกเกิล-เหล็ก (Edison) ต่อมาได้เปลี่ยนเป็นแบตเตอรี่ตะกั่วกรดและรถจักรเหล่านี้ก็ถูกปลดระวางในเวลาไม่นานหลังจากนั้น รถจักรทั้งสี่คันถูกบริจาคให้กับพิพิธภัณฑ์ แต่หนึ่งคันถูกนำไปทำลาย ส่วนที่เหลือสามารถพบเห็นได้ที่Boone and Scenic Valley Railroadในรัฐไอโอวา และที่Western Railway Museumใน Rio Vista รัฐแคลิฟอร์เนีย ก่อนหน้านี้ Toronto Transit Commissionเคยใช้งานหัวรถจักรไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่ที่สร้างโดยNippon Sharyoในปี 1968 ซึ่งถูกปลดระวางในปี 2009 ^{[ 46 ]}  

รถไฟ ใต้ดินลอนดอนนำหัวรถจักรไฟฟ้าพลังงานแบตเตอรี่ มาใช้งานเป็นประจำ เพื่อการบำรุงรักษาทั่วไป

ในช่วงต้นทศวรรษ 1950 ไลล์ บอร์สต์ จากมหาวิทยาลัยยูทาห์ได้รับเงินทุนจากบริษัทรถไฟและผู้ผลิตต่างๆ ในสหรัฐอเมริกา เพื่อศึกษาความเป็นไปได้ของหัวรถจักรไฟฟ้าที่มีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์บนตัวรถเพื่อผลิตไอน้ำสำหรับผลิตกระแสไฟฟ้า ในเวลานั้น พลังงานนิวเคลียร์ยังไม่เป็นที่เข้าใจอย่างถ่องแท้ บอร์สต์เชื่อว่าปัญหาที่ใหญ่ที่สุดคือราคายูเรเนียม หัวรถจักรนิวเคลียร์ของเขาจะมี ห้องปฏิกรณ์ ขนาด 200 ตัน (181 ตัน; 179 ตัน)และผนังเหล็ก หนา 5 ฟุต (1.5 เมตร)เพื่อป้องกันการรั่วไหลของรังสีในกรณีที่เกิดอุบัติเหตุ เขาประเมินต้นทุนการผลิตหัวรถจักรนิวเคลียร์ที่มี เครื่องยนต์ 7,000 แรงม้า (5.2 เมกะวัตต์)ไว้ที่ประมาณ 1,200,000 ดอลลาร์ต่อคัน^{[ 47 ]}ด้วยเหตุนี้ รถไฟที่มีเครื่องกำเนิดไฟฟ้านิวเคลียร์บนตัวรถจึงโดยทั่วไปถือว่าไม่สามารถทำได้เนื่องจากต้นทุนที่สูงเกินไป     

ในปี 2545 หัวรถจักรสำหรับการทำเหมืองที่ขับเคลื่อนด้วย ไฮโดรเจน (เซลล์เชื้อเพลิง) คันแรก น้ำหนัก 3.6 ตัน (4.0 ตันสั้น; 3.5 ตันยาว)กำลัง17 กิโลวัตต์ (23 แรงม้า) ได้ถูกนำมาสาธิตที่เมืองวัล - ดอร์รัฐควิเบกในปี 2550 รถไฟไฮดรอลิกขนาดเล็กเพื่อการศึกษาในเมืองเกาสงประเทศไต้หวันได้เริ่มให้บริการรถไฟ Railpower GG20Bเป็นอีกตัวอย่างหนึ่งของหัวรถจักรที่ขับเคลื่อนด้วยเซลล์เชื้อเพลิงและไฟฟ้า   

มีหัวรถจักรแบบไฮบริดหรือแบบสองโหมดหลายประเภทที่ใช้พลังงานขับเคลื่อนสองประเภทขึ้นไป แบบไฮบริดที่พบได้บ่อยที่สุดคือหัวรถจักรไฟฟ้าดีเซลที่ใช้พลังงานจากแหล่งจ่ายไฟฟ้าหรือจากเครื่องยนต์ดีเซล ในตัว หัวรถจักร เหล่านี้ใช้สำหรับให้บริการการเดินทางต่อเนื่องในเส้นทางที่มีระบบไฟฟ้าเพียงบางส่วน ตัวอย่างเช่นEMD FL9และBombardier ALP-45DP