Có nhiều loại tàu khác nhau được thiết kế cho các mục đích cụ thể. Một đoàn tàu có thể bao gồm một tổ hợp của một hoặc nhiều đầu máy và các toa xe lửa kèm theo, hoặc một nhiều toa tự hành, hoặc đôi khi một toa được hỗ trợ đơn lẻ hoặc khớp nối được gọi là toa xe lửa. Các loại tàu đặc biệt chạy trên "đường sắt" được xây dựng theo mục đích tương ứng là một ray, đường sắt cao tốc, maglev, đường sắt khí quyển, đường sắt chạy bằng cao su, đường sắt leo núi và đường sắt răng cưa.

Một đoàn tàu chở khách bao gồm một hoặc nhiều đầu máy và (thường) một số toa. Ngoài ra, một đoàn tàu có thể hoàn toàn bao gồm các toa chở hành khách, một số hoặc tất cả các toa được chạy bằng điện; điều này được gọi là "nhiều đơn vị". Ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là Viễn Đông và Châu Âu, đường sắt cao tốc được sử dụng rộng rãi cho việc đi lại của hành khách. Các chuyến tàu chở hàng bao gồm ô tô, toa xe hoặc xe tải chứ không phải toa, mặc dù một số chuyến tàu bưu kiện và thư tín (đặc biệt là các Văn phòng Bưu điện Du lịch) có vẻ bề ngoài giống tàu chở khách hơn. Xe lửa cũng có thể có nhiều loại hỗn hợp, có cả chỗ ở cho hành khách và xe chở hàng. Các đoàn tàu hỗn hợp này rất có thể được sử dụng cho các dịch vụ chạy không thường xuyên, nơi việc cung cấp các đoàn tàu chở khách và hàng hóa riêng biệt sẽ không hiệu quả về chi phí, nhưng nhu cầu khác nhau của hành khách và hàng hóa có nghĩa là điều này được tránh nếu có thể. Các đoàn tàu đặc biệt cũng được sử dụng để bảo trì đường ray; ở một số nơi, điều này được gọi là "duy trì đường tàu".

Ở Vương quốc Anh, một đoàn tàu sử dụng hai đầu máy được gọi là đoàn tàu "hai đầu". Ở Canada và Hoa Kỳ, việc một đoàn tàu hàng dài do ba đầu máy trở lên đứng đầu là điều khá phổ biến. Một đoàn tàu có gắn đầu máy ở cả hai đầu được mô tả là "đầu và đuôi", phương pháp này thường được sử dụng khi không có sẵn phương tiện đảo chiều. Trường hợp đầu máy thứ hai được gắn tạm thời để hỗ trợ tàu hỏa khi đi lên các bờ dốc hoặc dốc (hoặc để cung cấp lực hãm cho đầu máy xuống dốc). Nhiều đoàn tàu có tải ở Mỹ được lắp ráp bằng cách sử dụng một hoặc nhiều đầu máy ở giữa hoặc ở phía sau đoàn tàu, sau đó chúng được vận hành từ xa từ cabin dẫn đầu. Cách thức này này được gọi là "DP" hoặc "Distributed Power (Công suất phân tán)".

Đầu máy hơi nước

Là loại đầu máy dùng động cơ, dùng than đốt cháy củi,tạo nhiệt đun nước làm tăng áp suất nước, xả van cho hơi nước đẩy piston và quay trục khuỷu.

Đầu máy diesel cổ điển

Dùng động cơ diesel, buồng bơm tăng áp diesel phun dầu áp lực cao vào buồng đốt, dầu tự cháy đẩy piston quay trục khuỷu và truyền lực đến bánh qua hộp số. Ngoài ra do momen lực của động cơ lúc khởi động yếu và khi nổ máy vào điểm chết có thể gây gãy trục khuỷu hoặc máy khó hoạt động nên trước khi khởi động máy, có một kích thủy lực đẩy đầu máy di chuyển cho đến khi vượt điểm chết.

Đầu máy diesel truyền động điện

Dùng động cơ diesel truyền momen quay đến một máy phát điện, sau đó máy phát điện truyền dòng điện vào nhiều động cơ điện, động cơ điện truyền lực trực tiếp vào hộp số đến bánh tàu. Động cơ điện có momen khởi động lớn nên thích hợp cho việc khởi động kéo nhiều toa nặng trong thời gian ngắn.

Đầu máy điện

Dùng dây điện trên cao, dưới đường ray hoặc cả hai để cấp điện cho động cơ điện hoạt động. Đầu máy điện có thể có một đầu máy chuyên dụng, hoặc như các tàu cao tốc như "JR 700" dùng nhiều động cơ điện dọc theo từng toa tàu.

Tàu đệm từ

Xem bài chi tiết: Tàu đệm từ