蒸汽機是靠蒸汽的膨脹作用來做功的，蒸汽機車的工作原理也不例外。司爐工把煤填入爐膛后，煤在燃燒過程中，將化學能轉換成熱能，把機車鍋爐中的水加熱、汽化，形成400℃以上的過熱蒸汽。

蒸汽再進入蒸汽機膨脹做功，推動蒸汽機活塞往復運動

活塞通過連桿、搖桿，將往復的直線運動變為車輪轉動的圓周運動，帶動機車動輪轉動，從而牽引列車前進。