Wie bereits bei den dieselmechanischen Loks beschrieben, lassen sich Verbrennungsmotoren auf Grund ihres Startverhaltens und der Abhängigkeiten von der Drehzahl nur bei geringeren Leistungen effektiv mit einem mechanischen Getriebe kombinieren. Für Streckenloks und größere Triebwagen wurde eine Möglichkeit gesucht, die Drehzahl des Motors komplett von der Drehzahl der Achsen zu entkoppeln, um den Motor bei jeder Geschwindigkeit in der optimalen Drehzahl laufen zu lassen.
Schon kurz nach der Einführung der ersten elektrisch angetriebenen Bahnen mit Oberleitung gab es den Gedanken, den Stromerzeuger auf der Lokomotive mitzuführen. Damit wäre es möglich, auf die kostspielige Oberleitung zu verzichten und Übertragungsverluste zu verhindern. Das erste Schienenfahrzeug dieser Art war offenbar „La Fusée Electrique” von Jean-Jacques Heilmann. Bei dieser trieb die Kolbendampfmaschine einen Generator an, der Strom für die acht Fahrmotoren lieferte. Nachdem diese Bauform nicht erfolgreich war, entstanden ab der Jahrhundertwende viele Triebwagen und leichte Lokomotiven, die eine elektrische Kraftübertragung noch in Verbindung mit einem Benzinmotor hatten. Mit dem 57-ton gas-electric boxcab baute General Electric 1913 den Prototypen für die erste Streckenlok mit elektrischer Kraftübertragung.
Nachdem sich der Dieselmotor als drehmomentstarke und sparsame Alternative zum Benzinmotor etabliert hatte, fuhr 1924 die erste dieselelektrische Streckenlok. Dies war die Ээл2, die die Maschinenfabrik Esslingen nach Plänen von Juri Wladimirowitsch Lomonossow für die Sowjetische Staatsbahn gebaut hatte. In den USA begann ALCO 1931 mit der Serienproduktion größerer dieselelektrischer Rangierloks, während die Deutsche Reichsbahn ab 1932 dieselelektrische Schnelltriebwagen fertigen ließ.
In den folgenden Jahren wurde die Regelung dieselelektrischer Antriebe weiterentwickelt. Hier gilt es, dass beim Aufschalten der Leistung gleichzeitig die Erregung des Generators erhöht wird und die Drehzahl und/oder Füllung des Dieselmotors steigt. Der Durchbruch gelang mit der Servofeldregelung, die die schweizerische Firma BBC 1935 vorgestellt hatte und die in der Folgezeit in viele Lokomotiven und Triebwagen eingebaut wurde.
Gerade in den USA fanden dieselelektrische Loks bereits in den Dreißigern einigen Absatz. Nach dem dem Zweiten Weltkrieg wurden mit ihnen großflächig Dampfloks ersetzt und auch außerhalb Nordamerikas sicherten sich mehrere Unternehmen die Lizenzrechte an der Antriebstechnologie der US-Dieselloks. Während man speziell in Deutschland auf die dieselhydraulische Kraftübertragung setzte, setzte sich die elektrische Kraftübertragung weltweit bei Dieselloks durch. Gerade die US-Hersteller exportierten ihre Erzeugnisse in große Teile der Welt. Aber auch britische Unternehmen wie English Electric konnten viele dieselelektrische Loks vor allem in die ehemaligen Kolonien liefern.
Etwa ab Mitte der neunziger Jahre fanden Stromrichter und Drehstrom-Fahrmotoren ihren Weg in Dieselloks, wo mit einer computergestützten Regelung ein optimaler Betrieb in den meisten Geschwindigkeits- und Lastbereichen gewährleistet werden konnte. Die sechsachsigen US-Dieselloks mit Drehstromantrieb entwickeln mittlerweile mit speziell angepassten Drehgestellen eine Anfahrzugkraft von mehr als 800 Kilonewton. Auch die deutschen Hersteller bauen mittlerweile wieder vermehrt dieselelektrische Loks, weil sich so einfacher eine gemeinsame Plattform mit Elektro- und Dieselloks realisieren lässt, So können auch Zweikraftloks mit kombiniertem Diesel- und Elektroantrieb gebaut werden, bei denen die Achsen von elektrischen Fahrmotoren angetrieben werden.