As locomotivas a diesel diferem na forma como a energia é transmitida do motor às rodas. A forma mais simples é a transmissão por caixa de velocidades, como a usada nos automóveis. Locomotivas que usam este sistema chamam-se diesel-mecânicas.
Locomotivas diesel-mecânicas estão entre as mais antigas tentativas de utilização do motor a combustão interna no transporte férreo. Muitos velhos fabricantes de máquinas a vapor arriscaram-se, quase sempre sem êxito nesta modalidade de tração. Diesel-mecânicas apresentam problemas na transmissão no momento da troca da relação de velocidades (marcha) da caixa, que não suporta o elevadíssimo atrito entre os dentes das engrenagens e se partem ou, na melhor, desgastam-se muito rapidamente, além de desintegração das cintas de bloqueio que efetuam as trocas. Durante todo o período da dieselização americana, vários fabricantes de diversas partes trabalharam tipos diferentes de transmissão visando anular ou pelo menos minimizar os problemas de desgaste e quebras, quase sempre em vão.
Este tipo de locomotiva foi muito comum em linhas britânicas. São comumente pequenas manobreiras de pátios com peso ao redor de 40 toneladas e potência não maior que 250hp (horsepower). Sua transmissão consiste em uma caixa epicicloidal ou planetária (como a empregada em automóveis de câmbio automático) de 3, 4 ou 5 velocidades bem reduzidas e a embreagem é normalmente do tipo "fluido de acoplamento", conhecida também por "embreagem hidráulica". Quando a embreagem é por conversor de torque, considera-se que a locomotiva é do tipo diesel-hidráulica com caixa, ou "hidromecânica".
No início dos anos 60, British Rail apresentou a Class 35 "Hymek", com transmissão hidromecânica Maybach Mekhydro, para competir com as diesel-hidráulicas alemãs. Devido a inúmeros problemas mecânicos, não durou muito.
Embora, locomotivas diesel-mecânicas tenham embreagem sempre por fluido de acoplamento, houve locomotivas equipadas com embreagem por fricção, como de carros de câmbio manual. Um exemplo é a British Rail Class 05 de 1955.
Exemplo potente de locomotiva diesel-mecânica foi a British Rail 11001 de 1949. Equipada com um V12 diesel 4 tempos de 500hp aliado a uma caixa mecânica denominada SSS (Synchro-Self-Shifting) Powerflow. Interessante modelo foi a 10100 "Fell", experimental de 1952. Com 4 motores diesel de 500hp cada, totalizando 2.000hp, tracionando cada um conforme a velocidade, sendo portanto, um sistema combinado e sem caixa de transmissão. Apenas embreagens hidráulicas que conectava e desconectava os motores automaticamente.