Как и в большинстве стран с железными дорогами, в России сразу же с момента появления паровозы стали постоянно улучшаться. Высокий рост грузо и пассажирооборота требовал увеличения пропускной способности железных дорог. Основной упор был сделан на повышение веса поездов, что требовало применения паровозов с более высоким сцепным весом. Так как повышение осевых нагрузок представляло на то время затруднения (требовалось дорогостоящее усиление пути), то повышение сцепного веса осуществлялось за счёт повышения числа осей. В результате уже в одна тысяча восемьсот пятьдесят восьмом году в России появляются практически первые в Европе товарные паровозы с четырьмя движущими осями, а через три года первые в мире пассажирские паровозы с тремя движущими осями. В одна тысяча восемьсот девяносто пятом году на русские железные дороги поступили из Америки первые паровозы с пятью движущими осями в одной жёсткой раме. Дальнейшее повышение числа осей ограничивалось по условиям вписывания в кривые, что привело к появлению на русских дорогах сочлененных паровозов и при этом активно использовался зарубежный опыт.
Помимо этого, формируется и российская школа паровозостроения. Так в одна тысяча восемьсот пятьдесят четвертом году инженером-конструктором Добронравовым публикуются Правила для составления проекта паровоза. В одна тысяча восемьсот семидесятом году издаётся первый учебник «Курс паровозов», автор которого является Л. А. Ермаков – профессор Петербургского технологическоо института. А через десять лет под руководством инженера А. П. Бородина при Киевских мастерских организуется первая в мире лаборатория по испытанию паровозов.
В одна тысяча восемьсот восемьдесят втором году по предложению Бородина, на одном из паровозов простую паровую машину заменили на машину-компауд, и чуть позже Одесские железнодорожные мастерские выпустили несколько паровозов сразу с такой машиной. Применение такой машины, при некотором усложнении конструкции, позволяло экономить до двадцати процентов топлива и воды. В результате в конце девятнадцатого века подавляющее большинство русских паровозов начинают выпускаться с машинами-компаунд. В то же время на русские железные дороги поступает первый из паровозов российской постройки, выпущенный сразу с пароперегревателем. Паровоз экономил до двадцати пяти процентов воды, а в устройстве был проще паровозов с машинами-компаунд, и поэтому в дальнейшем русскими заводами выпускались паровозы исключительно с пароперегревателями. В одна тысяча девятьсот седьмом году под руководством конструкторов К. Н. Сушкина и Е. Е. Нольтейна был разработан и построен паровоз, с высоко поднятым паровым котлом. Это будет характерная черта конструкции русских паровозов.
