Появлению паровоза предшествовал ряд открытий, связанных с действием струи пара при кипячении воды. Еще в древние времена стали применять пар в качестве движителя. За 120 лет до новой эры греческий физик Герои Александрийский изготовил механическую игрушку, приводимую во вращение силой пара. Леонардо да Винчи (1452—1519) в своих рукописях отмечал, что имелся проект орудия, могущего выбрасывать ядра силой пара. Но подобные примеры не относились к использованию пара для работы машины. Только Цени Ланей (1647—1714), с 1688 г. профессор математики Марбургского университета, в 1680 г. сообщил о своем изобретении парового котла с предохранительным клапаном, регулирующим давление пара. В 1690 г. Д. Папен пытался соединить паровой котел с цилиндром и поршнем водяной помпы, но создать работоспособный двигатель не смог. Как физик Д. Папен понял и оценил энергетические свойства водяного пара, но как техник не смог реализовать их в конструкции двигателя. Однако данный принцип был использован в паровых машинах, применяемых в горнорудной промышленности.

Иван Ивановым Ползунов (1728—1766), русский теплотехник, один из изобретателей теплового двигателя, создатель первой в России паросиловой установки. В библиотеке Барнаульского завода, на котором он работал, познакомился с трудами М.В. Ломоносова, изучил устройство паросиловых установок. В 1763 г. И.И. Ползунов разработал проект парового двигателя мощностью 1,8 л .с. (1,3 кВт) — первого в мире двухцилиндрового двигателя с объединением работы цилиндров на один общий вал, т.е. двигателя, универсального по своему техническому применению.

Он спроектировал новый паровой двигатель для привода воздуходувных мехов плавильных печей с рекордной по тому времени мощностью в 32 л. с. (24 кВт), который был построен и испытан в 1766 г. Будучи первым и до конца XIX века практически единственным универсальным двигателем, паровая машина И.И. Ползунова сыграла исключительную роль в прогрессе мировой промышленности и железнодорожного транспорта.

Джеймс Уатт (1736—1819), английский изобретатель, создатель универсальной паровой машины. С 1757 г. работал механиком в университете в Глазго, где познакомился со свойствами водяного пара. Пользуясь котлом Д. Папена, сам с большой точностью провел исследование зависимости температуры насыщенного пара от давления.

В 1769 г. Д. Уатт получил английский патент на «способы уменьшения потребления пара и вследствие этого — топлива в огненных машинах». В 1782 г. Д. Уатт получил английский патент на паровой двигатель с расширением, ввел первую единицу мощности — лошадиную силу, а позднее его именем была названа другая единица мощности — ватт.