火車由機車（俗稱火車頭）牽引若干節車廂在鋼軌（早期是鐵軌）上運行，它的發明涉及三大組成：火車頭、車輪和軌道。 最早發明火車頭的是英國工程師特里維西克（見第一章第三節「瓦特的專利期滿之後」），在瓦特和博爾頓堅持製造低壓蒸汽機的時候，特里維西克就萌發了改進蒸汽機以提高壓力的念頭，並動手進行研製。比起傳統的蒸汽機，新動力機的體積和重量大大縮小，這就使移動它成為可能。 1801年，特里維西克成功製成世界上第一台火車頭，在礦區硬渣道上行駛，由於沒有方向裝置，沒走多遠輪子就陷到溝裡，最後鍋爐的水燒乾，機車完全毀壞。第二年，特里維西克對機車進行改進，他突發靈感，想把它放在軌道上，這樣不僅不需要控制方向，而且擁有比當時普通的道路更穩固的路基。1804年，特里維西克製成新的火車頭，這次在鐵軌上運行，機車能夠拉動5輛礦車。但因軌道為生鐵鑄造，還是被沉重的機車壓裂，導致機車運行不穩。最終特里維西克放棄了研究，前往南美，為開發秘魯的金銀礦製造固定的蒸汽機。 真正使火車成功運行的是英國發明家喬治·史蒂文森（George Stephenson）。史蒂文森出生於1781年，在諾森伯蘭郡的礦區長大，他家境貧寒，沒有受過正規教育，從12歲起就給在煤礦上管蒸汽機泵鍋爐的父親當助手，一邊勞動一邊學習。史蒂文森的才能很快顯露出來，當上了檢修工，負責諾森伯蘭郡大煤礦基林沃思（Killingworth）所有的固定蒸汽機， 他很快意識到，能夠在軌道上載重奔跑的蒸汽機，要比傳統的固定蒸汽機靈活得多。 1814年，史蒂文森時年33歲，此前他已了解了許多關於製造火車的情況。受礦主的支持，史蒂文森造出了他的第一個火車頭，取名為「布盧徹號」（Blucher），橫臥的鍋爐8英尺長，裝有兩個汽缸。機車拉著8節礦車，載重量達30噸， 平均速度每小時4英里。 「布盧徹號」運行成功，但也顯露了缺點，史蒂文森加以改進，如採用新型的閥門、連接車輪的連桿等，這種系統在後來的幾十年內，成為蒸汽機車的基本機構。 史蒂文森與前人不同，他也努力研製堅硬適宜的鐵軌。他自己的機車雖然不是太重，卻也 常壓裂路軌。為了解決這個問題，史蒂文森到朋友開設的鐵工廠試驗鍛鐵軌道。取得成功後，史蒂文森申請了鐵軌的專利。後來，史蒂文森所在礦區都換用了新鐵 軌。 自「布盧徹號」問世後十幾年間，史蒂文森建造了大小十幾輛機車，而真正使他揚名的是 「火箭號」。1829年4月，利物浦—曼徹斯特鐵路的董事會組織了引人注目的倫希爾大賽（Rainhill Trail），旨在發現用於該線路的最好機車。為參加這次賽事，史蒂文森在兒子羅伯特的協助下製成新的機車——「火箭號」。該機車有幾個重要的創新，一是 使用多管鍋爐，增加了動力。設置了25條直徑均為3英寸的銅製水管，貫通鍋爐的兩端，從而增大了鍋爐內水的受熱面積，獲得更多的蒸汽，這種設計在後來一百 多年間（直到蒸汽機時代結束），成為所有機車鍋爐的基礎。另一個創新是採用排氣管，將廢氣從汽缸中引進煙囪後再放出去，這就大大增加了煙囪的抽力和所保持 的壓力。 在參賽的機車裡面，「火箭號」出色地完成了各項要求，它以每小時14英里的平均速度 沿1.5英里的線路反覆行駛，沒有發生任何問題，而其他三個參賽者的機車都出現了故障。在最後一輪比賽中，史蒂文森打開閥門，讓蒸汽機更快地運行，時速達 到30英里，令評審官和好奇的觀眾驚訝不已。 利物浦—曼徹斯特鐵路全長31英里，就像以前的鐵路一樣，因運輸貨物的需要而受到了 推動。利物浦是原棉的主要到達地，這些棉花需要運往曼徹斯特的棉紡廠。蘭開夏郡當時是世界上工業化程度最高的地區，正因為它的繁榮經濟，世界上第一條鐵路 在這兩座發展中的城市之間修建，就不單是一個偶然事件。儘管修建這條鐵路的主要動機是運輸貨物，但由於貨運車廂還未備好，它開通之後首先運送的卻是旅客。 1830年9月15日，世界上第一條客運鐵路（利物浦—曼徹斯特鐵路）正式開通，史蒂文森的「火箭號」率先在這條線路上運行。1831年，「火箭號」運行滿一年，客流量達到近500 000人，鐵路公司因此能夠為投資者分發豐厚的紅利。兩城之間很快增加了服務班次，同時也啟動了貨物運輸。 史蒂文森沒有停步，他與兒子羅伯特繼續研究火車，到19世紀30年代末，他們的機車出口幾乎覆蓋歐洲所有的國家，還有大洋彼岸的美國。史蒂芬森父子也為他們的發明申請了一系列專利。