按工质利用分
①单胀式机车,蒸汽在汽缸中膨胀工作一次即排入大气,机车构造简单，采用较广。
②复胀式机车，蒸汽在一个或一对汽缸（高压汽缸）中膨胀工作后进入另一个或另一对汽缸（低压汽缸）再膨胀工作一次才排入大气。这种机车热效率虽高一些，但构造较复杂，采用较少。
③凝汽式机车，乏气进入装于煤水车后部的冷凝器凝结成水，再泵入锅炉重复使用，损失的水由煤水车的水补充。机车构造很复杂，多在缺水地区使用。④饱和蒸汽机车和过热蒸汽机车，自从创造出机车用的过热器提高了蒸汽温度以后，汽机效率提高很多，饱和蒸汽机车即被改造成过热蒸汽机车。
按汽缸位置分类
蒸汽机车按汽缸安装位置可分为：
①外汽缸机车，机车汽缸固定于车架两边外侧，因检修方便，采用较广。
②内汽缸机车，机车汽缸固定于车架内侧，有一根动轮轴制成曲拐轴，因检修不便，采用较少。
③三汽缸机车，两个汽缸固定于车架两边外侧，第三个汽缸固定于车架中间。
按车架形式分类
蒸汽机车因车架形式不同可分为：
①板梁式车架机车，车架是板梁型结构，车架较轻，欧洲国家采用较多。
②杆梁式车架机车，车架是杆状结构，用厚钢板切割成型或用铸钢铸造，采用普遍。
按车架和动力单元的组成分类
蒸汽机车就其车架和动力单元的组成来说，可分为：
①常规机车，只有一个固定车架组成一动力单元（包括汽缸、动轮、连杆装置和阀动装置等）并支承锅炉。
②关节机车，除有一个固定车架组成的动力单元并支承锅炉后半部外，还有一个可转动的车架和后面的固定车架连接组成另一动力单元，并可滑动地支承锅炉前半部，起转向架作用。
按水柜位置分类
蒸汽机车按水柜安装位置可分为：
①煤水车机车，它的后部连挂一专门供机车长途行驶所需煤和水的煤水车，应用广泛。
②水柜机车，在机车锅炉两侧各有一长方体水柜或为一鞍形水柜跨装于锅炉上，煤则存放于司机室后部的煤槽中。另一种水柜机车是将水储存在煤槽下部的水柜中。水柜机车储存煤水量较少。只用于调车、短途运输和工矿运输。
按使用燃料分类
蒸汽机车按使用燃料可分为：
①燃煤蒸汽机车，火箱内燃用烟煤，是普遍采用的一种机车。
②燃油蒸汽机车，火箱内燃用雾化锅炉油，用于无煤的产油区或有特殊要求的地方。
按原动机分类
蒸汽机车按所装用的原动机可分为：
①以往复式蒸汽机为动力的蒸汽机车，构造简单，应用广泛，通常所说的蒸汽机车就是指这种机车
②以蒸汽涡轮机为动力的蒸汽机车，称为蒸汽涡轮机车。涡轮机转速高，须配用减速齿轮箱，因而有电力传动的和机械传动的两种。排汽又有冷凝的和非冷凝的两种。蒸汽涡轮机车因构造复杂，造价昂贵，维修费用高，热效率比蒸汽机车高得不多，未能推广使用。
