1769年，瓦特改进了蒸汽机。这种动力较大的机器被用于采矿、冶金、纺织等行业，也为交通运输工具的更新提供了动力基础。威廉·默多克是瓦特的得力助手，他想起瓦特曾说过蒸汽机可以用做交通运输的动力，于是就朝这个方向设想，并开始动手研制。默多克花了五年时间设计制作出一个蒸汽机车的模型后，用酒精加热钢制锅炉里的水，产生蒸汽，使之进入汽缸带动活塞，从而带动车轮转动，这样，蒸汽机车就可以行走了。默多克先在家中试车，他刚一点上火，蒸汽机车就向前飞奔，速度之快出乎他的预料。
一天晚上，默多克在野外试车。蒸汽机车喷着火焰，还发出“呼哧呼哧”的声音飞驰而过。一名牧师撞见，以为是魔鬼，惊呼：“妖怪，妖怪！”从此人们谈“车”色变。瓦特也对此表示不满，他认为默多克不可能发明出蒸汽机车，搞这种注定会失败的发明研究，将会影响默多克的蒸汽机安装和维修工作。瓦特严令默多克停止研制，否则他将把默多克开除出商会。默多克屈服了。
这时，一位叫理查德·特里维西克的人决定从事蒸汽机车研制工作。
1801年12月，特里维西克研制成一部能在公路上行驶的载人蒸汽机车，然而因水被烧干之后失火，机车被烧毁。1803年，特里维西克制造了他的第二部蒸汽机车，并在伦敦公开展出，引起很大轰动。这是一部单汽缸的蒸汽机车，时速达5～8千米，可惜的是，由于操作时出现失误，机车被撞坏了。特里维西克在1804年和1808年又制造了两部蒸汽机车，但都在行驶时失败了。四部蒸汽机车接连失败，使特里维西克心灰意冷，他认为自己不可能制造出蒸汽机车，因此放弃了研制工作。
继默多克、特里维西克二人之后，一个叫乔治·史蒂芬逊的工程师开始了蒸汽机车的研制工作。1814年，史蒂芬逊的研究有了成果——世界上第一部具有实用价值的蒸汽机车问世了，史蒂芬逊称它为“半统靴号”。它装有四只轮子，车顶竖了一根不长的烟囱，烟囱里不断地飞出火星，车速每小时达64千米。火车行驶时上下颠簸，车轮与铁轨发出巨大响声，蒸汽机车还不时发出又尖又响的声音。
尽管“半统靴号”的试车成功了，但它没有派上用场，而是停在路边，原因是当地居民纷纷抗议机车所发出的巨大响声对人和牲畜的伤害，而且机车烟囱里冒出的火星可能引起火灾，机车的颠簸可能导致路基被毁乃至翻车发生事故。在以后的十年中，史蒂芬逊潜心于蒸汽机车的改造，同时也致力于轨道的改造。他加大炉中火力，提高了蒸汽机的功率；把蒸汽机的出气管用小管子引入烟囱，减少了噪音；在机车底部安装减震弹簧，增加了机车的抗震性和稳定性；采用了凸边式车轮；加快了烟囱的排烟速度。
史蒂芬逊以总工程师的身份主持修建斯托克顿到达林顿的商用铁路时，建议采用他发明的具德林顿铁厂轧出的长15英尺（约46米）、设有导向凸缘的熟铁轨，并在枕木下加铺小石子。为此，史蒂芬逊于1825年制成了世界上第一部具有实用价值的客货两用蒸汽机车——旅行者号。1825年9月27日，“旅行者号”身挂32节车厢，载货重100吨，载员450人，开始试车。此时的机车速度已达每小时24千米，令与之进行速度比赛的马车望尘莫及。经过更进一步的改造，史蒂芬逊于1829年造出“火箭号”，载重量超过以往，最高时速达每小时58千米，终于使火车成为人们外出旅行的交通工具。