Η ατμομηχανή είναι ένας εξειδικευμένος τύπος βαγόνι τρένου που είναι αυτοκινούμενο και παράγει ενέργεια μέσω της καύσης καυσίμου, της χρήσης ηλεκτρικής ενέργειας, της μαγνητικής αιώρησης ή άλλων πειραματικών μεθόδων. Οι ατμομηχανές μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να σπρώχνουν ή να έλκουν βαγόνια τρένων και μπορούν να εμφανιστούν σε σιδηροδρομικές γραμμές σε όλο τον κόσμο, ωθώντας επιβάτες και εμπορεύματα σε διάφορες τοποθεσίες.
Κατά γενικό κανόνα, μια ατμομηχανή είναι εξαιρετικά ισχυρή, επειδή πρέπει να είναι ικανή να τραβήξει ή να σπρώξει μια αλυσίδα αμαξοστοιχιών. Σε αντίθεση με τις ατμομηχανές, τα βαγόνια δεν διαθέτουν πηγή ενέργειας και η κίνησή τους εξαρτάται πλήρως από την ατμομηχανή. Οι ατμομηχανές μπορούν να τραβήξουν μεγάλες σειρές βαρέων αυτοκινήτων τόσο σε επίπεδες επιφάνειες όσο και σε ποιότητες, και είναι κυριολεκτικά οι κινητήριες δυνάμεις για τα τρένα.
Οι πρώτες ατμομηχανές αναπτύχθηκαν την πρώτη δεκαετία του 1800 και τροφοδοτήθηκαν με ατμό. Alsoταν επίσης αρκετά ακατέργαστα και χαμηλής ισχύος, αν και η ατμομηχανή βελτιώθηκε γρήγορα κατά τη διάρκεια του 1800 για να δημιουργήσει ισχυρές ατμομηχανές που θα μπορούσαν να κάψουν ξύλο, άνθρακα και άλλα υλικά, ανάλογα με το τι ήταν διαθέσιμο. Η ανάπτυξη της ατμομηχανής επέτρεψε την κατασκευή σιδηροδρόμων, οι οποίοι αποτελούσαν κυρίαρχη μέθοδο χερσαίας μεταφοράς για τους ανθρώπους και τις εμπορευματικές μεταφορές κατά το πρώτο μισό του εικοστού αιώνα.
Αν και η κλασική εικόνα μιας ατμομηχανής περιλαμβάνει τοποθέτηση στο κεφάλι του τρένου, μια ατμομηχανή μπορεί επίσης να σπρώξει από πίσω. Ορισμένοι σιδηρόδρομοι χρησιμοποιούν τις γνωστές λειτουργίες push-pull, κατά τις οποίες μια ατμομηχανή τραβά ένα τρένο προς τη μία κατεύθυνση και το ωθεί προς την άλλη. Αυτό εξαλείφει την ανάγκη για χρονοβόρα εναλλαγή τροχιάς, καθώς το τρένο μπορεί να κινηθεί εύκολα προς οποιαδήποτε κατεύθυνση.
Οι ατμομηχανές που έχουν σχεδιαστεί για να έλκουν εμπορευματικά τρένα τείνουν να είναι οι πιο μυώδεις, δεδομένου ότι οι εμπορευματικές αμαξοστοιχίες μπορεί να είναι πολύ μεγάλες και εξαιρετικά βαριές. Οι επιβατικές ατμομηχανές είναι πιο ελαφριές. Οι μηχανές αλλαγής ή μετατόπισης είναι οι μικρότερες και πιο ευκίνητες της οικογένειας των ατμομηχανών, που χρησιμοποιούνται για τη μετακίνηση τρένων και αμαξοστοιχιών στις αυλές των τρένων. Κατά γενικό κανόνα, οι μεταγωγείς είναι ικανοί για τεράστια ποσά πρόσφυσης, επιτρέποντάς τους να φέρουν γρήγορα βαριά τρένα σε κίνηση και στη συνέχεια να χρησιμοποιούν αυτήν την ενέργεια για να τα μετακινήσουν στους τελικούς προορισμούς τους.
Αρκετοί σιδηρόδρομοι συνεχίζουν να λειτουργούν κλασικές ατμομηχανές ατμού, συνήθως ως καινοτομία. Πολλοί άλλοι χρησιμοποιούν ντίζελ και άλλα καύσιμα για να τροφοδοτήσουν τις ατμομηχανές τους, ενώ οι ηλεκτρικές ατμομηχανές αυξάνονται σε δημοτικότητα, μαζί με τις ατμομηχανές που χρησιμοποιούν περισσότερη πειραματική τεχνολογία. Τα συστήματα ελαφρών σιδηροδρόμων που χρησιμοποιούνται για μετακινήσεις χρησιμοποιούν συχνά αυτοκινούμενα αυτοκίνητα που είναι γνωστά ως μηχανοκίνητα πούλμαν ή αυτοκίνητα. Επειδή κάθε αυτοκίνητο κινείται με τη δική του ισχύ, είναι εύκολο να μετακινηθούν τρένα ελαφρών σιδηροδρόμων ανάλογα με τις ανάγκες, προσαρμόζοντας τον αριθμό των αυτοκινήτων και τις διαδρομές για να καλύψουν τη ζήτηση.