構造上、高圧の蒸気を発生させる大型のボイラーを搭載しているため、運転には甲種蒸気機関車運転免許の他にボイラー技士免許が必要となる(機関士が一級以上かつ機関助士が二級以上)。
他の鉄道車両では進行方向の変更にしか使わない逆転機(進行方向を切り換えるための機械的装置)は、蒸気機関車の場合その構造上(歯車によって進行方向を変更するのではなく、シリンダーの空気の流れの向きを変更する仕組みになっている)速度の制御にも使用される。その様子はドキュメンタリー映画(youtubeの参考映像、後退)などで見ることができる。
様々な箇所が擦れ合うため、機関士の交代のときなどに熱をもっていないか確認したり、油を注す光景も見られた。
機構は複雑ではないものの、調整や保守に手間がかかる。だが、精度が良すぎてもダメな部分がある。ピストンとシリンダの径差がそれで、ピストンリングは入るものの2～8mmという内燃機関の10倍以上の差がある。これをガソリンエンジン並みに仕上げてしまうと動かなくなったという。
ボイラーの起動に時間がかかることと頻繁なボイラーの起動・停止は過度に収縮を繰り返すことでボイラーの構造全体に負担がかかり、寿命を縮めてしまうため、現役運行されている機関車は検査で分解するとき以外はボイラーに火を入れたままにしておくことが多い。（石炭焚きだと無火から可動状態まで3～4時間、しかしそのうち2時間ほどは石炭の焚き付けである。純石油焚き（大抵重油であるが例外あり）は1時間程度で動ける（着火はほぼガスコンロ。あっという間である）。なおボイラー圧が上がるまでの時間を活用して他の整備もやっている）現在のアメリカの動態保存機は、環境規制で石炭焚きが禁じられているため重油焚きに改造されている。
長距離運転では給水や給炭、灰ガラ捨てなどが必要となる(使用する車両にもよるものの、約100km程度)。車両基地だけでなく主要な駅にはそれを行う設備が設けられていた。
適切なメンテナンスを行えば非常に寿命が長い。ボイラー等多くの主要部品を交換してはいるが130年以上現役の機関車が存在する。

仕組み等

蒸気機関車の熱効率は10%程度とされ、電気機関車やディーゼル機関車より燃費が著しく悪い(ただし後述のように蒸気機関車外燃機関であるため燃料を選ばないメリットはある)。
蒸気機関車の燃料は、石炭や木炭、木材などが一般的だが、実際は可燃物であれば(効率がいいモノがいいが)ほぼ何でも使えるため、最悪ゴミでもよく、東南アジアでは実際にサトウキビの搾りかす(バガス)が使われたこともある。また、重油などの液体化石燃料を使用する蒸気機関車もある程度世界的に普及しており、日本でも一部の機関車が急勾配の馬力アップのために使用している。
上記の内特に変り種なのが電気を使った方式で、電車の様にパンタグラフから電気を受け取り、それを使ってボイラーを加熱し、蒸気機関を動かしている(あくまでもモーターなどを動かしているわけではなく熱源であるので蒸気機関車に分類される)。また蒸気の発生源が車内になく、据え置きボイラーから高圧の蒸気を充填してもらってから出庫し、蓄えた蒸気で走る「無火機関車」なるものも、蒸気機関車である。
また逆に蒸気機関を駆動して発電を行いその電力で走行する、電気式も試作された。
普通、蒸気機関車のエンジンは蒸気レシプロエンジンに分類されるが、艦船などにもあるように、蒸気タービン式の蒸気機関車も存在した(主としてアメリカおよびヨーロッパで作られ1940年代におおむね使用を終了している)。タービンは逆回転出来ないため機械式の場合は後進用タービンを別に搭載していた。上述の電気式も存在し、タービン回転数を一定に出来て前進後進が自在なのが利点であったが水を使う関係上電気機器と相性があまり良くなく、機械式ともども廃れた。
そのほか、原子力を熱源に使う案も存在した(1950年代および1970年代、ただし放射線漏れを防ぐ外界から隔離用の格納容器などの装備により重量が過大になるうえ事故時に放射能漏れのリスクがあるなどデメリットばかりで無理に「原子炉を汽車に搭載するよりも原子力発電所を建設、電気機関車や電車を運用する」法がはるかに安全で効率がよいことに気づいたため中止になった。ソ連、アメリカ、西ドイツ、日本が計画段階だったらしい。
まるで電気機関車のモーターの様に各動輪に二気筒の小型蒸気機関を取り付けた19.10形が第三帝国時代のドイツで試作されたが走行性能は静粛で優秀だったものの複雑過ぎて試作のみに終わっている。
JRや私鉄などで運行される蒸気機関車は石炭が利用されているが、東京ディズニーランドのウエスタンリバー鉄道は石炭こそ使わないものの、重油(現在は灯油)を使用して蒸気を沸かして走らせる、これもれっきとした「本物」の蒸気機関車である。
一方伊予鉄道の「坊っちゃん列車」や小湊鉄道の「里山トロッコ」は見かけは蒸気機関車であるものの実はディーゼル機関で動いており、若桜鉄道のC12は圧搾空気で動いており、これらは本物の蒸気機関車にはあたらない。若桜鉄道のC12は無火機関車の蒸気を圧搾空気に置き換えただけであるが、圧縮空気と蒸気の取扱法制の違いから厳しい手続きを受けなくとも済んでいる（圧搾空気は10kgf/c㎡＝0.98MPa以上でなければ高圧タンクの規制を受けないが、蒸気ボイラは0.2MPa（≒2kgf/c㎡）で法規制のかかるボイラーになる）。

ただし、運転する機関士によると　圧縮空気での運転だと、水蒸気と空気では粘性が大きく異なることから操作に対する反応が大きく異なるためかなりの慣れがいるそうである。

そのほか

「SL(エスエル)」の通称が馴染み深いが、pixivで「SL」タグは「SecondLife」とバッティングしてしまうことがあり、「蒸気機関車」タグもあると良い。
SLの代名詞となった「デゴイチ」はSLの形式の一つ、D51形の呼び名で、それが一般にも普及したため、その他の形式のSLもデゴイチと呼ばれることがあるが、元々は「デコイチ」と呼ばれていた。
知名度や製造両数が多かったこともあって、現在でも全国で保存されている車両は多いが、本線上を走れるD51はJR東日本の498号機(と、元1094号機であるC61 20号機)のみであったが、現在JR西日本で京都鉄道博物館で動態保存していた200号機を本線で走れるように整備し、投入している。
日本の鉄道用語(俗語)で機関車のことを「カマ」と呼ぶ。これは蒸気機関車が文字通り「釜」だったためだが、その名残で、電気機関車(電気釜)やディーゼル機関車にも通用される。
通常自走可能なものは客車(旧客)や貨車(現在では運用なし)を牽引し、現在では主として客車列車として運用される。まれにキハ141系で運用を行う場合も存在する。自走不能なものは機関車で牽引する。
蒸気機関車を運用するにあたり、切っても切れないのが煙である。この煙は石炭の煤で服や顔を汚す要因となった。しかし一番の問題は煙害による苦痛であり、トンネル(特に勾配があるトンネル)で乗務員・乗客が窒息したりすることがあった。また煙による窒息が原因で乗務員が気絶・吐血・死亡することがあったり、さらには死亡などによって運転操作するものがいなくなった機関車がそのまま暴走して、脱線・衝突という2次災害を起こすこともあった。また、戦前の機関士は定年退職後5年以内に大部分が寿命を迎えて亡くなっていたという。機関士の多くも喫煙者だった事も一因とされる。新型コロナでも喫煙者が重症化しやすいというデータが出ているが、当時は現代よりはるかに喫煙者の比率が高く、多くの国で煙草の健康への影響がまだ認識されていなかったため。
上記の煙害があるため、様々な煙害対策を施された。勾配のあるトンネルの標高が低い入口に排煙幕を張る。集煙装置を煙突上部に取り付ける。煙突両サイドに除煙板を取り付ける　等。　だが一番の対策は、蒸気機関車を使わないことが一番煙に悩まされない方法であり、蒸気機関車が淘汰される大きな要因の一つとなった。また、緩衝装置の不備から乗り心地が極めて劣悪なものであったということも忘れてはならない。
基本的にボイラー側には車両、特に客車は連結させない（特に黎明期）。これはボイラーが破裂した際の安全を考慮してのことや、固形燃料である石炭を燃やす以上炭水車と焚き口の間に運転台を入れる必要があるためである。ただ、炭水車が機関車本体に一体化したタンク機はこの限りではなく、特に日本では技術が確立されてから鉄道が敷かれたのでタンク機の逆機は常用された。
しかし、運転台を前に置いたキャブフォワード型テンダー機関車というものも存在する。簡単に言うと普通のSLの前後を逆にしたタイプで、運転手が煙にまかれることがなく、前が見やすいというメリットがある。主にトンネルが多い地域で見られ、アメリカやイタリア、ドイツの一部の鉄道会社で見られた。重油など液体燃料で走行する車両であれば焚き口＝運転台と炭水車が距離的に離れていても問題がない。この場合運転台は電気機関車用デザインをベースにしたものが多く、中には一見すればSLに見えないような車両も作られた。イギリスでは機炭間の緩衝ばねをねじ連結器のバッファー同様に左右に幅広く取って、炭水車そのものを先台車として使い逆向きを常用した石炭焚き貨物テンダー機関車も存在する。日本では石炭焚きのタンク機・4110形やE10がこれにあたる。
下記にもある通り国産機ではキャブの乗り心地が非常に悪いためか、機関助士になる為の教習ではガタガタ揺れるキャブ内で、石炭をスコップから溢さず火室の中へ理想的にかつ迅速に投炭できるよう機関車の火室の投炭口を模した器具と石炭を使った投炭の型稽古や練習も行われたそうだ。
海外では、従輪に低速時用の小型蒸気エンジンを追加した機関車も一部で用いられた。これは「ブースター」と呼ばれたが、一般的な蒸気機関車では変速機などのようにギアチェンジで高速域と低速域を切り替えるような機構がない為、起動時や低速時には実は蒸気が余る。これを利用して重量列車の牽き出し能力や低速での連続運転能力を高める目的で開発された。ただし機構が複雑になることや高速運転時はただの重しになってしまうため、使用例はあまり多くない。炭水車に装着するケースもあったが、こちらは入換用機関車での使用に限られた。

日本の蒸気機関車

実際の技術史の詳細に関しては、Wikipediaの該当記事等を参照してもらうとして、ここではそのスタイルの確立とその後の特徴について簡潔に書く。

スタイルの確立～導入から国産化までの経緯

江戸時代末期の1853年、ロシアのエフィム・プチャーチンが来航し、蒸気で走る模型を披露したり1854年、アメリカのマシュー・ペリーが江戸幕府の役人の前で模型蒸気機関車の走行を実演した記録がある。日本の蒸気機関車史は実用鉄道そのものよりも前から、しかも模型で始まったことになる（本格的な実用鉄道敷設は1872年から）。

実用鉄道の敷設にあたってはイギリスの技術を導入したため、長く日本の（特に官営の）鉄道ではイギリス技術や製品の輸入の時代が続いた。国産機関車は19世紀末にはイギリス人技術者の指揮の下完成を試みているが、本格的に国産化が始まったのは大正時代初め頃からである。

21世紀現在でも1両が現役の8620形や貨物用の9600形の成功により、ようやく幹線用でも国産化の目途が立ち、第一次世界大戦により欧州経済が著しく疲弊したこともあって、以後は国産機関車が圧倒的主流となる。

8620形・9600形以降の国産蒸機の特徴

こうして誕生した8620形・9600形のスタイルが、日本の蒸気機関車のスタイルを確定させた。

ほぼボイラ径そのままで、尚且つ飾り気のない煙室扉
基本、黒単一塗装。
- 飾りとしてナンバープレートやランボード、コネクションロッドに色を差すことがある程度。これは、アジア産の低質炭のため、排気に煤が多く、汚れが目立たないようにしたものだが、ここまで単一塗装を徹底した例は同時期には珍しく、日本形蒸機を導入したアジアの国々でも、晩年は部分的に塗装したりしている。
- ただし、特例で茶色(C5967)や緑色(C5979)、橙色(28621)(29660)などで一色に塗装された車両や前面や後面に黄色のゼブラを描いた車両、テンダーに緑十字を描いた車両も国鉄時代に存在する。
配管丸出し上等。美観？なにそれ美味しいの？
キャブ(運転台)の乗り心地が悪い
- これはシリンダーに2気筒のシリンダーを採用し続けたことが要因である。元々、この方式は1ストロークあたりのトルクが大きく引き出し性能が優秀なことから多気筒(3気筒・4気筒)に比べ、格段に運転がしやすく構造が簡単で整備がしやすい反面、トルク変動・レシプロバランスが悪く(２シリンダー式では内燃機関でよく採用され最もバランスの良い180°クランクではなく2つのシリンダが同時に死点位置となるのを避けるため90°クランクを採用することで回転分＆往復分でアンバランスを生じることから) 非常に振動が大きかった。

　もちろん十分なバランスウエイトを積むことで回転分＆往復分どちらの振動も軽減することはできるがこの際往復部分を釣り合わせのためのウエイトがハンマーブロー（カウンターウエイトが動輪の回転に伴って上下に移動することによりレールへの荷重が周期的に増す現象）という困った問題を引き起こす。往復成分のアンバランスによる前後振動を抑えようとしてバランスウエイトを増やすと線路を痛めるハンマーブローがどうしても増えてしまう。カウンターウエイトを減らすとハンマーブローをある程度抑えることが出来るが、今度は乗り心地が悪くなる前後振動の原因となってしまうのである。英米では往復質量の1/3以上、平均して35～50％を釣り合わせて高速回転の前後動を抑制したが、ドイツ流儀（往復質量の25％以下）を採った日本の場合は、ハンマーブローを抑える設計をしたために、前後振動を諦めて乗り心地が悪くなったのである。また日本の場合　英米と比較して軌道の強度が低く　保線方が整備の頻度が増すことを嫌ったため軌道への負担が大きくなるハンマーブローが増すウエイト設定が取れなかったという事情もあった。

- ちなみに例外的存在にC52とC53が3気筒を採用していた。ただしC53が多気筒化によるトルク減と設計ミスでバルブタイミングが不正確だったことによる起動不能頻繁や中央クランクメタルの焼損、台枠のクラックなどの致命的なトラブルが多数頻繁したため、結局それ以降3気筒の蒸気機関車が日本国鉄で採用されることはなかった。しかし、C53はスムーズだったがC59は揺すぶられる感じだったという乗車した体験談があるほど、3気筒が乗り心地が良かった証拠であろう。
独特の低い音色の汽笛(「フォォ……」と表現される)。
- 欧州及び日本でも大正期までの蒸気機関車では、日本では電気機関車やディーゼル機関車、特急型電車に搭載されたAW2警笛のような高い音(「ピィィーッ」・蒸気機関車用は3階音)が一般的。３シリンダ機のサンプルとして輸入したC52に5階音の汽笛が付いており、音量が大きかったことから以降定着した結果である。アメリカでは1920年代以降のものであれば5階音も普通。

これらの特徴は『銀河鉄道999』といった創作物や、現在も各地で行われている動態保存機の運転などで、(日本の法制度上動態保存のための特別なルールはなく、各地の動態保存機は紛れもない営業用なのだが)厳密な営業用から退いた後の世代にもデファクトスタンダードとして刷り込まれてしまった。

技術的には、もとより日本の工業技術力が低い時期に国産蒸機に対して試行錯誤しているうちに蒸気機関車から電気動力車にシフトする時期が来てしまった。

特に明治37年、すでに甲武鉄道(現在の中央本線東部の全身)によって郊外電車が運転され成功を収めており、過密の日本国内では電気動力車が主流になるのは必然だった。また電気動力車は先進国の欧米列強でもまだ試行錯誤中であり、日本に後発の不利が少なかった。昭和4年には南海電9系や阪和電気鉄道モタ300形のような世界的にも一流性能に迫る電車が国産で登場している。

実に日本初の鉄道開業(1872年)からわずか32年後には郊外路線の電化が開始されているのである。このこともあり、蒸気機関車についての技術水準は1,067mm狭軌であることを考えても、欧米列強のそれから見ればカタログスペック面で稚拙に終わった。国鉄の試行錯誤は確かに技術的偏執や基礎理論を理解していない部分もあったものの、それらがなく国内の蒸気機関車より洗練されていたと言われる南満州鉄道の蒸気機関車群にあってもイギリスやアメリカといった先進国の水準に達しているというわけではない。

もっとも、欧州などと異なり蒸気機関車単体の性能向上よりも保守修繕や運用効率による全体の底上げを重視しておりこちらは、先進国を凌ぐ水準に達している。

例えば、イギリスやフランスでは選び抜かれた機関士チームを1台の機関車に専属させることで、実用面で劣る3シリンダーや運転することが難しい複式機関車の性能を引き出していた。乗機への愛着や忠誠心と誇りにより運用が成り立っていたのだ。

日本も当初は同様の手法であったが、機関車の大型化や走行距離の増大で機関車と乗務員の行程を常に一致することが難しくなり、使用効率の悪さが目立つようになった。そのため、昭和の初頃より大部分の主要線区から機関車と乗務員を固定せず運転するようになり、昭和14年から全面的に切り替えが完了している。今では当たり前のことであるが、当時としては先進的な組織づくりの一環である。

現代でも行われている予防修理も20世紀序盤から導入が始まっており、整備を受ける機関車が工場に入場する前に交換部品を用意しておく、運用記録をきちんと取って車両の状態を厳密に管理する、一定の交換機準に達した部品は壊れていなくても交換するなどした結果、日露戦争ごろには修理に３か月かかっていたようなケースでも、昭和初期には５日で完了するようになっていた。実はこれらは、（当時の日本の工業力の一番良い部分を優先使用できた）陸海軍の航空機の整備よりも進んだシステムだったとか。

イギリスでは国鉄標準蒸気機関車の設計により運転環境の変化に対応しようとしたが、一部形式の設計ミスや強引に無煙化が進められたことにより順応できたとは言い難い。第1陣として設計された7形蒸気機関車は部品の損傷や落下に加え、発進時に金縛りで動けなくなる問題を抱えていた。設計ミスと言われているが、前身私鉄では乗員の技量に依存していた運用のおかげで、設計の欠陥が露呈していなかっただけと言う指摘も存在する。

フランスは第2次大戦前から運用の改革をするべく実験はしていたものの、扱いが困難な複式機関車では上手くいかず、1台の機関車を交代で運用することすらままならなかった。このため走行する距離は一日80kmにも満たず、日本が明治時代の後半に100㎞を超えていたことと比較すると、蒸気機関車の設計思想や組織作りなどにおいて甚だしく遅れていた。結局、自国のやり方を捨てて第2次大戦後にアメリカ陸軍の第1次大戦標準型をモデルにした輸入機の登場でようやく改革を成し遂げている。

C62（C62 17）の高速記録（129km/h）は偶々特製の記録機付き速度計を付けて正確に測ったため、1,067（1,065）mm軌間の世界記録に出来たものである。実際には日本国鉄でも機関士によっては直線区間に限りそれ以上の速度（140～145km/h）を出していた（今と異なり保安装置の速度照査のない時代であるため出来たことである）。速度計は振り切っていたり、時代によっては整備が追いつかず撤去していたため距離標やジョイント音と時計の対比で割り出していた（南アフリカの蒸気機関車も距離標と運転時間から逆算すると平均して110～120km/hを常用している）。

余談だが、新京阪鉄道（現・阪急京都線）のP-6（先述のモタ300形と同等性能）が超特急「燕」を追い抜いたという伝説もある。新京阪のダイヤは「燕と並走できる時間帯にぶつけあわせ、追い抜く」ように組まれてはいなかったが、車両性能的には十分可能で、これも保安装置の測度照査が無いことを利用して、運転士が乗客向けに即興のサービスとして行ったものらしい。

日本の技術による蒸気機関車

日本の蒸気機関車技術は、日本国鉄線上より、むしろその外で花開き、日本国鉄同様のデザインの機関車も一定数製作された。

戦前の旧植民地、それも私鉄である朝鮮鉄道（名前が紛らわしいが公営路線である朝鮮総督府鉄道とは別物）の軽便鉄道線「黄海線」の急行機関車である。

外観は762mm（2’6”）軌間に小型化した（ほぼC55と同世代のため、スポーク動輪である）日本国鉄の機関車である。この幅の狭い線路で70km/hの俊足を誇った。

この機関車は、昭和初期に資源開発のため当路線の輸送が急増したが、短期間での標準軌改築（周囲の幹線・亜幹線が全て標準軌で建築限界等が全く異なる）が不可能なため、とりあえず762mm軌間のままでの可能な限りの高速化・大単位化が進められた結果登場したものである。

動輪径の大型化すら1,067mm軌間の様な訳に行かず、英語圏の標準軌間高速機と同様に動輪回転数を340～400rpmに引き上げた（つまり日本にもそれだけの技術の蓄積はあったのである）。当然だが、回転数を上げれば摩耗も速くなるためコストや牽引定数との兼ね合いも起きる。このため、戦後の英国では6フィート2インチ(1880mm)動輪で70マイル（112.65km/h）以上の走行試験は行っておらず、ポーランドやチェコなどは標準軌ながら1750mm動輪で100km/hと鉄道省/国鉄と同等の数値を採用している。

設計・汽車製造、製造は同社及び日本車輌製造によってなされた。

同様にD51を現地の仕様（1m軌間）に合わせ小型化したような機関車がタイ向けで輸出されている。