Transportasi rel
memiliki dua motor penggerak "direct-drive", dengan elektromagnet-tetap bekerja pada batang besi yang terpasang pada silinder kayu di setiap poros, dan komutator sederhana. Loko ini dapat mengangkut beban enam ton dengan kecepatan empat mil per jam (6 kilometer per jam) untuk jarak. Diuji di Edinburgh dan Glasgow Railway pada bulan September tahun berikutnya, daya baterai yang terbatas mencegah penggunaannya secara umum. Loko itu justru dirucat
oleh pekerja kereta apinya sendiri, yang menganggap itu adalah sebagai ancaman bagi keamanan pekerjaan mereka.
Werner von Siemens mendemonstrasikan kereta api listrik pada tahun 1879 di Berlin. Jalur trem listrik pertama di dunia, Trem Gross-Lichterfelde, dibuka di Lichterfelde dekat Berlin, Jerman, pada tahun 1881, dibangun oleh Siemens. Trem berjalan pada listrik bertegangan 180 V DC, yang dipasok oleh rel. Pada tahun 1891 jalur rel dilengkapi dengan kabel listrik aliran atas (LAA) dan jalur diperpanjang ke stasiun
Berlin-Lichterfelde Barat. Volk's Electric Railway dibuka pada 1883 di Brighton, Inggris. Lintas kereta ini masih beroperasi, sehingga menjadikannya kereta listrik tertua di dunia. Juga pada tahun 1883, Mödling dan Hinterbrühl Tram dibuka di dekat Wina, Austria. Itu adalah jalur trem pertama di dunia dalam layanan reguler yang ditenagai dari LAA. Lima tahun kemudian, di Amerika Serikat trem listrik dipelopori pada 1888 di Richmond Union Passenger Railway, menggunakan peralatan yang dirancang oleh Frank J. Sprague.
Penggunaan elektrifikasi pertama pada jalur utama adalah pada petak sejauh empat mil dari Baltimore Belt Line, dioperasikan oleh Baltimore and Ohio Railroad (B dan O) pada tahun 1895 yang menghubungkan bagian utama B dan O ke jalur baru ke New York melalui serangkaian terowongan di sekitar tepi pusat kota Baltimore. Listrik dengan cepat menjadi catu daya pilihan untuk kereta bawah tanah, mengikuti penemuan kontrol "multiple-unit" Sprague pada tahun 1897. Pada awal 1900-an, sebagian besar jalur trem dilistriki.
London Underground, kereta api bawah tanah tertua di dunia, dibuka pada 1863, dan mulai mengoperasikan layanan listrik menggunakan sistem rel keempat pada 1890 di City dan South London Railway, sekarang bagian dari jalur London Underground Northern. Ini adalah kereta api utama pertama yang menggunakan traksi listrik. Kereta api listrik bawah air pertama di dunia, beroperasi dari Kota London, di bawah Sungai Thames, ke Stockwell di London selatan.
Lokomotif listrik AC praktis pertama dirancang oleh Charles Brown, kemudian bekerja di Oerlikon, Zürich. Pada tahun 1891, Brown telah menunjukkan transmisi daya jarak jauh, menggunakan AC tiga fase, antara pembangkit listrik tenaga air di Lauffen am Neckar dan Frankfurt am Main Barat, sejauh 280 km. Menggunakan pengalaman saat bekerja di Jean Heilmann pada desain lokomotif uap-listrik, Brown mengamati bahwa motor tiga fase memiliki
rasio daya-ke-berat yang lebih tinggi daripada motor DC dan, karena tidak adanya komutator, lebih mudah untuk memproduksi dan merawatnya. Namun, motor ini jauh lebih besar daripada motor DC pada waktu itu dan tidak dapat dipasang pada bogie di bawah lantai: mereka hanya bisa dipasang di dalam badan lokomotif.
Pada tahun 1894, insinyur Hongaria Kálmán Kandó mengembangkan motor penggerak listrik asinkronik 3-fase tipe baru dan generator untuk lokomotif listrik. Desain awal 1894 Kandó pertama kali diterapkan dalam jalur trem AC-tiga-fase pendek di Evian-les-Bains (Prancis), yang dibangun antara 1896 dan 1898.
Pada tahun 1896, Oerlikon memasang rencana komersial pertama dari sistem di Jalur Trem Lugano. Setiap lokomotif 30 ton memiliki dua motor berdaya dijalankan dengan listrik berdaya 750 V 40 Hz tiga-fase dipasok dari kabel LAA berganda. Motor tiga fase berjalan dengan kecepatan konstan dan memberikan pengereman regeneratif, dan sangat cocok untuk lintas curam, dan lokomotif tiga-fase jalur utama pertama
dipasok oleh Brown (saat itu bekerja sama dengan Walter Boveri) pada tahun 1899 pada Burgdorf-Thun line, Swiss, sejauh 40 km.
Lintas kereta api Italia adalah yang pertama di dunia yang memperkenalkan traksi listrik untuk seluruh jalur utama daripada per petak. Jalur Valtellina sejauh 106 km dibuka pada 4 September 1902, dirancang oleh Kandó dan tim berdasarkan karya Ganz. Sistem kelistrikan adalah tiga-fase pada 3 kV 15 Hz. Pada tahun 1918, Kando menemukan dan mengembangkan konverter fase putar,
yang memungkinkan lokomotif listrik untuk menggunakan motor tiga-fase dengan aliran listrik dipasok melalui kabel LAA tunggal, membawa frekuensi industrial sederhana (50 Hz) AC fase-tunggal sebagai standar nasional elektrifikasi jalur kereta api tersebut.
Kontribusi penting terhadap adopsi traksi listrik AC yang lebih luas datang dari SNCF Perancis setelah Perang Dunia II. Perusahaan itu melakukan uji coba pada AC 50 Hz, dan menetapkannya sebagai standar. Setelah uji coba SNCF yang sukses, 50 Hz diadopsi sebagai standar frekuensi untuk jalur utama di seluruh dunia.
Contoh-contoh awal yang dicatat dari motor bakar pembakaran dalam untuk penggunaan kereta api termasuk prototipe yang dirancang oleh William Dent Priestman, yang diuji oleh Sir William Thomson pada tahun 1888 yang menggambarkannya sebagai ""[mesin minyak Priestman] yang dipasang pada sebuah bogie yang dijalankan pada jalur sementara untuk menunjukkan adaptasi mesin minyak untuk keperluan lokomotif."" Pada 1894, mesin gandar dua berdaya dibangun oleh Priestman Brothers dan digunakan pada Pelabuhan Hull Docks.
Pada tahun 1906, Rudolf Diesel, Adolf Klose, dan produsen mesin uap dan diesel Gebrüder Sulzer mendirikan Diesel-Sulzer-Klose GmbH untuk memproduksi lokomotif bertenaga diesel. Sulzer telah memproduksi mesin diesel sejak 1898. Perusahaan kereta api nasional Prusia memesan lokomotif diesel dari perusahaan ini pada tahun 1909. Lokomotif bertenaga diesel pertama di dunia dioperasikan pada musim panas 1912 di jalur
kereta api Winterthur-Romanshorn di Swiss, tetapi tidak sukses secara komersial. Berat lokomotif dan daya mesin berturut-turut 95 ton dan 883 kW dengan kecepatan maksimum 100 km/jam. Sejumlah kecil purwarupa lokomotif diesel diproduksi di sejumlah negara hingga pertengahan 1920-an.
Sebuah terobosan signifikan terjadi pada tahun 1914, ketika Hermann Lemp, seorang insinyur listrik General Electric, mengembangkan dan mematenkan sistem kontrol listrik arus searah yang dapat diandalkan (pengembangan selanjutnya juga dipatenkan oleh Lemp). Desain Lemp menggunakan tuas tunggal untuk mengendalikan mesin dan generator secara terkoordinasi, dan merupakan purwarupa untuk semua sistem kontrol lokomotif
diesel-elektrik. Pada tahun 1914, kereta rel diesel-elektrik (KRDE) pertama di dunia diproduksi untuk "Königlich-Sächsische Staatseisenbahnen" (Royal Saxon State Railways) oleh Waggonfabrik Rastatt dengan peralatan listrik dari Brown, Boveri dan Cie dan mesin diesel dari Swiss Sulzer AG. KRDE ini dinomori DET 1 dan DET 2. Penggunaan reguler pertama lokomotif diesel-listrik adalah pada kegiatan pelangsiran. General Electric
memproduksi beberapa lokomotif pelangsir kecil pada 1930-an (" 44-tonner" yang terkenal diperkenalkan pada 1940). Westinghouse Electric dan Baldwin berkolaborasi untuk memproduksi lokomotif pelangsir mulai tahun 1929.
Pada tahun 1929, Canadian National Railways menjadi kereta api Amerika Utara pertama yang menggunakan mesin diesel dalam layanan lintas utama dengan dua unit, 9000 dan 9001, produksi Westinghouse.
Meskipun layanan uap dan diesel berkecepatan tinggi dimulai sebelum tahun 1960 di Eropa, pelayanan itu tidak terlalu berhasil.