Der Bedarf nach Holz für eine breite Palette von Anwendungen wuchs in Nordamerika in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts stark an, als immer neue Regionen erschlossen und besiedelt wurden. Damit stieg auch die Menge an geschlagenem Holz, welches von seinem Ursprungsort zu den Sägewerken transportiert werden musste. Der Transport von Baumstämmen durch Pferde oder auf Flüssen hatte sich zwar bewährt, jedoch konnten die Transportmengen nicht grenzenlos gesteigert werden. Die Lösung war der Transport per Eisenbahn.
Da jedes Abbaugebiet nur für einen begrenzten Zeitraum genutzt werden konnte und die Bäume an dieser Stelle viele Jahre brauchten, um wieder nachzuwachsen, ergab sich jedoch ein weiteres Problem: die Erstellung von Schienenwegen war zeit- und kostenintensiv, was einer Nutzung über einen begrenzten Zeitraum entgegen stand. Die Lösung waren provisorisch verlegte Schienenstränge zum Teil aus vorgefertigten Abschnitten, welche ohne eine Schotterbettung auf dem Waldboden platziert wurden. Dies ergab einen unebenen Schienenweg mit steilen Steigungen und zum Teil engen Kurven. Auch bei der Überquerung von kleineren Flüssen lohnte sich die Erstellung von Brücken manchmal nicht, so dass die Schienen manchmal sogar direkt in das Flussbett gelegt wurden, solange die Wassertiefe nicht zu groß war.
Für diese Strecken war es nun von Bedeutung, geeignete Lokomotiven zu finden. Für den unebenen Grund mit engen Kurven eigneten sich allenfalls kleine, zweiachsige Tenderlokomotiven. Diese waren jedoch bald nicht mehr stark genug und größere Loks mit mehreren Achsen hatten einen mehr oder weniger steifen Rahmen, der einen Einsatz auf solchen Strecken verhinderte. Bei den Waggons war es in Nordamerika auf Grund der vielerorts im Vergleich zu Europa weniger aufwändig verlegten Gleise schon länger üblich, diese auf zwei Drehgestellen zu lagern. Deswegen wurden bald diverse Bauarten von Dampfloks entwickelt, die ebenfalls auf Drehgestellen standen. Auch bei der Kraftübertragung ging man neue Wege, da die üblichen, in Bodennähe liegenden Zylinder anfällig gegenüber Wasser und Schmutz waren. Dies führte zu den bekannten, typisch nordamerikanischen Bauarten wie der Shay, der Climax und der Heisler. Allen gemeinsam war, dass es sie in erheblich unterschiedlichen Größen zu kaufen gab, jedoch alle Größen jeweils untereinander den gleichen Grundaufbau teilten.
Der erste Typ, der bis 1945 mit etwa 2.770 Exemplaren der erfolgreichste der drei war, ging auf den Sägewerksbesitzer Ephraim Shay zurück. Auf der Suche nach einer geeigneten Lokomotive für seinen Betrieb schuf er im Winter 1873/1874 die erste Lokomotive dieses Typs. Sie basierte auf einem Flachwagen, auf den er einen senkrechten Kessel stellte und der zwei seitlich ebenfalls senkrecht angetriebene Zylinder versorgte. Über Antriebswellen und kegelförmige Zahnräder wurden alle vier Achsen angetrieben. Nach einigen Verbesserungen wandte er sich mit seinem Entwurf an die Lima Machine Works in Lima, Ohio, welche 1880 die erste Maschine auslieferte. Im Folgejahr trat Shay alle Rechte an Lima ab, womit das Unternehmen starkes Wachstum realisieren konnte.
Die ersten Shay-Lokomotiven sahen noch dem Prototypen ähnlich, bis man auf einen waagerechten Langkessel umstieg und die Loks damit näher an das Erscheinungsbild herkömmlicher Dampflokomotiven kamen. Nun gab es ein deutlich zu erkennendes vorderes und hinteres Ende und die Zylinder mitsamt Antrieb wurden immer an der rechten Seite angebracht. Um das Gewicht in der Waage zu halten, wurde der Kessel etwas nach links versetzt. Nachdem die ersten Exemplare zwei Zylinder hatten, wurden später fast alle größeren Modelle mit drei Zylindern für bessere Laufruhe gebaut. Trotz der guten Laufruhe erreichte keine Shay mehr als 30 km/h, dafür jedoch eine sehr hohe Zugkraft im Vergleich zu ihrem Gewicht.
Erst einige Jahre später und mit insgesamt etwas mehr als 1.000 Exemplaren nicht ganz so erfolgreich kam die Lokomotive der Bauart Climax. Es gab ähnliche Entwürfe von verschiedenen Männern, die zum Teil auch im Rechtsstreit miteinander standen. Generell wird die Idee jedoch Charles D. Scott zugeschrieben, der sich zur Umsetzung an die Climax Manufacturing Company in Corry, Pennsylvania wendete. Die zwei Zylinder der Climax befanden sich grundsätzlich wie bei herkömmlichen Dampfloks auf beiden Seiten angeordnet, sie lagen jedoch meist deutlich höher und trieben eine Blindwelle an. Diese übertrug die Kraft wiederum über eine mittig unter der Lok angebrachte Gelenkwelle auf die Drehgestelle. Die bei den ersten Entwürfen noch verwendeten Achsdifferentiale erwiesen sich als kontraproduktiv und wurden bald nicht weiter verbaut. Das Besondere an den Loks der Bauart Climax war, dass ein großer Teil der Loks über ein Getriebe mit zwei Gängen verfügte. Baldwin fertigte ebenfalls Getriebelokomotiven, die den Climax-Loks sehr ähnlich waren.
Die dritte der drei erfolgreichsten Bauarten von Getriebelokomotiven aus den USA stammte von Charles Heisler und teilte sich mit den Climax die mittige Gelenkwelle. Hier waren die Zylinder jedoch in V-Form direkt hinter dem ersten Drehgestell angeordnet, ähnlich einem V-Motor. Während bei der Climax die Antriebswelle direkt jeden einzelnen Radsatz antrieb, trieb sie bei der Heisler nur eine Achse pro Drehgestell direkt an. Die jeweils zweite Achse wurde über außen sichtbare Kuppelstangen angetrieben. Die ersten Heisler-Lokomotiven wurden ab 1891 von der Dunkirk Engineering Company in der gleichnamigen Stadt im Staat New York gebaut. Größere Zahlen entstanden ab 1894 bei der Stearns Manufacturing Company in Erie, Pennsylvania, die sich 1907 in „Heisler Locomotive Works” umbenannte. Insgesamt entstanden bis 1941 etwa 850 Exemplare. Der Heisler wird oft nachgesagt, die schnellste der drei Bauarten gewesen zu sein.