鐵路運營的重要內容之一。包括確定機車牽引交路和機車運轉制；選用乘務制度和乘務員換班方式；設置基層管理機構；按照運輸需要配置機車，編制機車周轉圖和機車運用計畫，力求達到機車各項運用指標；組織機車整備作業，以供應品質良好的機車；嚴格按列車運行圖行車，安全正點地完成列車牽引作業和調車作業。
機車牽引交路 又稱機車牽引區間，是機車擔當運輸任務的固定周轉區段，即機車從機務段所在站到到折返段所在站之間往返運行的線路區段。機車交路按方向可分為單向牽引交路、雙向牽引交路、多向牽引交路和重合牽引交路，按乘務組工作時間可分為長交路和短交路。確定機車交路就是確定機務段及其折返段的位置，其主要依據是：①運輸的需要；②提高機車運用效率的考慮；③乘務員工作時間和機車周轉的安排；④機車的技術性能。蒸汽機車由於運行速度低以及受機車煤、水儲量的限制，交路一般較短。柴油機車和電力機車因整備作業簡便，運行速度高，續行距離長，機車交路大大延長，有的已達數千公裡，如加拿大蒙特利爾至溫哥華的機車交路為4691公裡，是世界上最長的。中國鐵路長沙至廣州的客運機車交路已達726公裡。延長機車交路，可以減少機務段的設置，提高機車運用效率，從而節省建設投資和降低運營管理費用，有較大的經濟效果。
機車運轉制 機車在交路上進行列車作業的組織方式稱為機車運轉制。機車運轉制一般有五種（見圖）。
機車運轉制示意圖
單回式運轉制 在單向牽引交路上，機車牽引車列往返於機務段和折返段之間，在機務段進行整備作業。
肩回式運轉制 在雙向牽引交路上，機車牽引車列往返於機務段和兩個折返段之間。在折返段可入段進行整備作業，或不入段整備立即折返，但回到機務段所在站，均要入段整備。
半循環運轉制 又稱領結式運轉制。機車由機務段向一個交路出發，經折返段（點）返回機務段所在站時不入段整備（可在車站進行補給燃料、水等作業），繼續向另一個交路運行，經第二個交路折返段，再返回機務段所在站入段整備。
循環運轉制 機車在機務段相鄰的兩個交路上往返運行，在機務段進行定期檢修和中間技術檢查，其他檢修均不入機務段，整備作業僅在車站進行。循環運轉制對機車質量要求較高，可有效地提高機車運用效率，加速機車、車輛周轉，增大站場通過能力。
環形運轉制 機車從機務段出發，不需轉頭，在交路上運行兩個或兩個以上折返後才入機務段一次。這種運轉制適用於距離短而運量較大的交路。
基層管理機構 有機務段和機務折返段兩級。
機務段 管理和使用機車的基層生產單位。配屬有一定數量的機車，擁有機車檢修、整備和運行所需的整套技術裝備。擔任指定交路上的列車牽引作業和車站上的調車作業，負責機車段修和日常保養工作以及整備作業，也擔負外段機車折返的整備作業和臨修(臨時修理)工作，配備有機車乘務員、整備人員、檢修人員、管理人員等。機務段按配屬機車的種類可分為柴油機務段、電力機務段和蒸汽機務段；按承擔機車修理任務，分為架修段和定修段（蒸汽機務段為洗修段）。
機務折返段 簡稱折返段，是機務段機車行駛區段的終點，機車在此折返。折返段一般不配屬機車，設有機車整備設施和乘務員生活設施，保證機車在此完成折返前的整備作業或停留待命。折返段一般由它的上級機務段管理。
乘務制度 機車乘務員值乘制度有包乘制和輪乘制兩種。
包乘制 由固定的幾個乘務機班組成機車組輪流值乘一臺（雙節重聯時為一組）機車。機車組包管包用這臺機車，除瞭值乘，還要負責機車的日常檢查和保養，以及中間技術檢查，並參加機車修理作業。包乘制有利於加強乘務員對機車的責任心，便於乘務員熟悉機車的性能特點，掌握機車的狀態。但包乘制使機車的運用受到限制，機車生產時間不能充分利用，機車交路也不能很長，從而降低瞭機車的利用率和乘務員的勞動生產率。
輪乘制 沒有固定的機車組，機車由許多乘務機班輪流使用，各乘務機班可以在任一臺機車上值乘。由於機車的運用不受固定機車組的約束，機車生產時間能夠充分利用，交路也可延長。輪乘制和長交路結合，更能獲得良好的技術經濟效果。采用輪乘制時，必須建立嚴格的制度，明確乘務員的職責。機車的日常檢查、保養和維護工作一般由專職人員負責。
輪乘制早在蒸汽牽引年代就被許多發達國傢采用，在柴油牽引和電力牽引出現以後，仍繼續采用。國際鐵路協會1956年海牙會議認為輪乘制是最好的乘務制度。蘇聯鐵路1931年以前采用輪乘制，以後規定瞭蒸汽機車的包乘制度，柴油、電力牽引興起後，從1960年起決定所有柴油、電力機務段都采用輪乘制，到1962年全部柴油機車都實行輪乘制。中國鐵路以前采用過輪乘制。從1949年起蒸汽機車都采用包乘制，後來柴油機車、電力機車也相繼采用。1975年起對柴油、電力機車進行輪乘制的試驗。目前蒸汽機車仍用包乘制，柴油機車和電力機車逐步實施輪乘制。
乘務員換班方式 柴油機車和電力機車的每一乘務機班一般設乘務員二人，即司機、副司機各一人，固定編組，也有隻設司機一人的，此類機車往往有司機報警裝置。蒸汽機車一般每班三人，即司機、副司機、司爐各一人。乘務員值乘機車的換班方式按照乘務員一次連續工作時間確定：交路適宜，在折返段換班；交路短時，到外段後立即折返；交路長時，在中途站換班，有時要換班數次，接力運行。
機車整備作業 機車運行前的各項技術準備工作。主要有燃料、水、潤滑油（脂）和砂子的供應，機車的擦洗，機車各部件的日常檢查和給油保養。機務段、折返段和有整備作業的車站配置必要的整備設備。
機車運用指標 衡量機車運用質量的尺度，也是改進機車運用工作的依據。主要有以下幾種指標。
全周轉時間 機車每周轉一次所消耗的時間，包括純運轉時間、中間站停留時間、機務段和折返段所在站停留時間。回段機車的全周轉時間為上次入段時起至本次入段時止；循環運轉機車的全周轉時間為上次乘務員到達換班站時起至本次乘務員到達換班站時止。縮短機車全周期時間可以減少運行機車臺數，提高機車運用效率。
技術速度 機車牽引車列不計入中間站停留時間的平均運行速度，即機車走行公裡除以機車純運轉時間所得的商。提高技術速度可以縮短機車全周轉時間。
旅行速度 機車牽引車列自始發到終點計入中間站停留時間的平均運行速度。為瞭提高效率，應使旅行速度盡量接近技術速度。
日車公裡 運行機車在一晝夜內走行的公裡數，即所有牽引車列的機車（包括本務機車、重聯機車和單補機車）走行公裡的總和，除以上述機車總臺日（一臺機車運用24小時稱為一個機車臺日）數所得的商，或按支配機車計算，稱支配日車公裡，即各類機車總走行公裡之和除以支配機車臺日所得的商。日車公裡綜合反映機車生產時間的有效利用程度和運行速度兩方面的狀況。提高日車公裡數是機車運用的重點工作之一。
列車平均重量 又稱平均牽引總重，是機車牽引每一車列的平均總重量，即列車總重噸公裡除以本務機車走行公裡所得的商。提高列車平均重量，使之接近機車規定的牽引定數，以此充分發揮機車的生產能力是鐵路運營的重要工作。
貨運機車日產量 貨運機車在一晝夜內平均每臺生產的總重噸公裡，即扣除補機噸公裡的貨運總重噸公裡除以貨運機車臺日所得的商。貨運機車日產量綜合瞭日車公裡和牽引重量兩方面的因素，反映瞭機車的實際生產能力，提高機車日產量的途徑就是要讓機車多拉快跑。
能源消耗量 機車運行要消耗能源，消耗數量和費用都相當可觀，減少能耗不僅節約能源，而且可以降低運輸成本。幹線機車的能源消耗指標按平均每萬噸公裡的消耗量計算，調車機車以平均每調車小時的消耗量計算。電力機車所耗電能用千瓦／小時計量。柴油機車和蒸汽機車消耗的燃料，分別用柴油和煤的重量計量。影響機車能源消耗的因素很多，計劃指標一般都用經驗統計方法確定。
各種天然煤的成分不同，發熱量也不相同。中國把低熱值發熱量為7000千卡/公斤的煤定為標準煤。蒸汽機車的鍋爐效率較低，並隨機型而異，為瞭在考察機車用煤情況時排除煤種和鍋爐類型的影響，便於相互比較和制定統一的燃料消耗指標，中國鐵路采用瞭換算煤（也稱技術煤）的概念，其計算方法如下：
