Первый паровоз в России был построен на Нижнетагильском заводе на Урале в августе 1834 г. замечательными русскими механиками, крепостными Е. А. Черепановым и его сыном М. Е. Черепановым. Паровоз Черепановых возил состав весом в 3,3 т со скоростью от 13 до 16 км в час. Для увеличения парообразования Черепановы установили на паровозе дымогарный котел с большим количеством трубок, чем в паровозе Стефенсона, а также применили специальный механизм обратного хода. Вслед за первым паровозом Черепановы в 1835 г. построили второй, более мощный паровоз, который мог возить за собой до 1000 пудов груза.

Однако замечательные машины Черепановых не были использованы для развития железнодорожного транспорта в России. В 1837 г. была построена железная дорога между Петербургом и Царским Селом протяженностью 27 км. Несмотря на отечественный опыт паровозостроения, царское правительство выписало паровозы из Англии, отказавшись от использования локомотивов, созданных Черепановыми. В 1851 г. в России была сооружена двухколейная Петербургско-Московская железная дорога.

К середине XIX в. темпы сооружения железных дорог общего пользования с паровой тягой все более и более возрастают. С 1840 по 1870 годы, т. е. за 30 лет, протяженность железных дорог во всем мире увеличилась в 14 раз. В 1875 г. протяженность железных дорог во всех странах составляла 294 тыс. км, а в 1917 г. она достигла 1146 тыс. км.

В 70-х годах XIX в. началась новая эра в развитии паровозной тяги, связанная с введением на транспорте компаунд-машин, т. е. паровых машин двойного (или многократного) расширения.

Разница между паровозом простого расширения и паровозом системы «компаунд» состояла в том, что у паровоза простого расширения употреблялись исключительно цилиндры высокого давления, а отработанный пар переходил из цилиндра прямо в атмосферу. У паровозов же системы «компаунд» применялись цилиндры высокого и низкого давления, а отработанный пар из цилиндра высокого давления переходил в другой цилиндр большого диаметра, в котором он вторично расширялся и затем уже выпускался в атмосферу.

Главным достоинством паровозов системы «компаунд» являлась большая экономичность. Этим обстоятельством и объясняется быстрое их распространение на железнодорожном транспорте в конце XIX в. С ростом железнодорожной сети и железнодорожных перевозок резко повысилась потребность в топливе. Насущным стал вопрос его экономии. Переход железнодорожной тяги на систему «компаунд» разрешил эту задачу. Применение паровозов системы «компаунд» нередко сокращало расходы угля на 15–30 %.

В 1850 г. машинистом Большой Восточной дороги в Англии Джоном Никольсоном был предложен первый проект паровоза системы «компаунд».

В 1855 г. появились первые товарные и пассажирские паровозы этой системы. Их испытания прошли весьма удовлетворительно, однако до 70-х годов XIX в. эти паровозы распространялись очень медленно.

Принцип «компаунд» в паровозостроении возродил французский инженер Маллет, который в 1876 г. создал свой паровоз-компаунд. Первые паровозы системы Маллета появились на железнодорожной линии Бианна – Биариц (Франция – Швейцария). Они были построены на заводе Шнейдера и Крезо близ Парижа. В 1878 г. тот же завод построил еще два усовершенствованных паровоза-компаунд. Один из них демонстрировался на Парижской выставке в 1878 г. С этого времени они получили большое распространение на железных дорогах в Европе.

С 80-х годов XIX в. над усовершенствованием паровозов системы «компаунд» работало много инженеров в Англии, Франции, Америке, Германии и в России. В эти годы возникли разнообразные системы паровоза-компаунд: дуплекс-компаунд, типа «Тектоник», «Грейт-Британ» и др.

Большое распространение паровозы системы «компаунд» получили в XIX – начале XX в. Однако, несмотря на целый ряд достоинств, они имели и крупные недостатки. Система «компаунд» была громоздкой, ремонт ее сложный. Этими паровозами было трудно управлять. Усовершенствование паровозов «компаунд» привело к возникновению нового типа паровозов, так называемых «сочлененных», или гибких. Первый сочлененный паровоз построил инженер Маллет в 1887 году.

Крупным усовершенствованием конструкции паровоза явилось применение в паровых машинах перегретого пара.

Экономичность паровой машины можно повысить повышением давления пара, использованием его расширения и устранением конденсации в цилиндре. Перегрев пара устраняет конденсацию в цилиндре при помощи особых устройств – пароперегревателей. Первые пригодные для эксплуатации пароперегреватели разработал немецкий, ученый Вильгельм Шмидт в 1898 году. Работать на перегретом паре оказалось выгодно. Он значительно повышал коэффициент полезного действия паровой машины, не усложнял систему управления паровоза и его конструкции.

В конце XIX в. производство паровозов, по сравнению с 70-ми годами XIX в., возросло в 2–2,5 раза. В дальнейшем количество паровозов продолжало расти. Если в 90-х годах XIX в. во всех странах производилось два паровоза в год, то в 1905–1907 гг. количество выпускаемых ежегодно паровозов увеличилось до 5,5–7,3 тысяч. К началу XX в. вес паровоза, по сравнению с первыми локомотивами, увеличился в 28 раз, рабочее давление пара – в 4,5 раза.

За 70 лет скорость паровозов возросла в 5 раз, мощность – в 100 раз, а сила тяги – в 30 раз. Вес состава поезда за этот период возрос в 10 раз.