1763年，法国陆军的技术军官古诺希望将蒸汽动力用于拉动兵工厂生产一种炮身由生铁铸成的沉重的大炮，1769年，古诺制成了他设想中的蒸汽动力车。不过它的速度才有每小时四千米，并且由于锅炉里的蒸汽用完了，蒸汽动力车走了大约15分钟就停了下来，但是这个伟大的尝试揭开了人类探索蒸汽机车的序幕。1804年英国的特里维西克制造出了第一台在轨道上行驶的蒸汽机车。1814年斯蒂芬森制作的第一台名为“布鲁克”号的机车开始运行，这台机车有两个汽缸、一只2.5米长的锅炉，有凸缘车轮防止打滑，它可以拉着8节矿车，载重30吨，以每小时6.4千米的速度前进，这是被认为第一台成功的机车。第一次运行时，煤矿上居民看到蒸汽机车的烟囱直往外喷火，就给它取了一个名字叫“火车”。1829年斯蒂芬森父子设计建造的，并在英国的蒸汽机车比赛中获奖的“火箭”号蒸汽机车，已经具有了现代蒸汽机车的基本构造特征。

蒸汽机车是利用蒸汽机把煤的热能变成机械能而运行的一种机车。蒸汽机车产生动力的主要方式是通过机械或人力把煤放入机车锅炉火箱内的炉床上燃烧，产生的热能经过火箱板、拱砖管壁和锅胴部的大小烟管使锅炉内的水蒸发成为水蒸汽，然后将蒸汽由导汽管经调整阀导入汽缸，利用它的热能和膨胀力，推动活塞（鞲鞴）移动，蒸汽由汽缸活塞的前后两侧交替进入，并将废汽按一定规律排出，使活塞往复运动，再经过活塞杆、十字头、摇杆和曲柺销等传动装置推动动轮作回转运动，从而使机车运行。蒸汽机车上需要携带一定数量的煤和水，因此运行一段距离后要加水加煤。

蒸汽机车构造与内燃机车、电力机车不同，其构造比较特殊。蒸汽机车主要包括锅炉部、机械部、走行部和煤水车四大部分，其他还有车钩缓冲装置、制动装置、控制和监测装置、司机室和辅助装置等部分。锅炉部的作用是使锅水吸收在炉床上燃烧的燃料释放出的热能而变为具有一定压强的蒸汽，并将蒸汽存储在锅炉中以备使用；机械部利用蒸汽在汽缸内膨胀做功，将热能变为机械能，通过与各动轮相连的连杆机构带动机车动轮转动；走形部承担机车上部重量，将机械部所作的功变为牵引力使列车运行，走行部一般都有导轮转向架帮助机车顺利通过曲线，而大功率蒸汽机车还有从轮转向架来承受锅炉火箱的重量；煤水车是装载煤、水、油脂和存放工具及备品的处所，连挂在机车的后部。

蒸汽机车有不同的表示方法，按照车轴配列形式表示蒸汽机车的方法称为轴式。轴式将机车的导轴、动轴和从轴的数量用三个阿拉伯数字依次来表示，例如具有一根导轴、五根动轴和一根从轴的前进型蒸汽机车可表示为1-5-1。不同形式的蒸汽机车还采用了不同的型号来表示，我国的蒸汽机车型号是用汉字或汉字的第一个汉语拼音字母来表示，例如1957年生产的1-4-1式蒸汽机车叫做建设型机车，或以“JS”表示，1958年生产的2-3-1式蒸汽机车叫做人民型机车，或以“RM”表示。同一型号蒸汽机车的主要特征，如动轮和汽缸的直径不同时，可以用字母右下角的数字标示，如JF4、JF6等，还可以用特定号码区别同一型号的每一台机车，如解放2105，其中2105就是这台解放型蒸汽机车的特定号码。