Паровая машина — тепловой поршневой двигатель, в котором потенциальная энергия водяного пара, поступающего из парового котла, преобразуется в механическую работу возвратно-поступательного движения поршня и (или) вращательного движения вала.
Поршень образует в цилиндре паровой машины одну или две полости переменного объема, в которых совершаются процессы сжатия и расширения, что показано на рисунке 1 кривыми зависимости давления p от объема V указанных полостей. Эти кривые образуют замкнутую линию в соответствии с тепловым циклом, по которому работает паровая машина.

Состояние пара описывается следующим уравнением: , где p - давление пара, V - объем цилиндра, v - количество вещества, R - универсальная газовая постоянная, T - температура пара.

Принцип действия паровой машины показан на рисунке 2.

Работа поршня 1 посредством штока 2, ползуна 3, шатуна 4 и кривошипа 5 передаётся главному валу 6, несущему маховик 7, который служит для снижения неравномерности вращения вала. Эксцентрик, сидящий на главном валу, с помощью эксцентриковой тяги приводит в движение золотник 8, управляющий впуском пара в полости цилиндра. Пар из цилиндра выпускается в атмосферу или поступает в конденсатор. Для поддержания постоянного числа оборотов вала при изменяющейся нагрузке паровые машины снабжаются центробежным регулятором 9, автоматически изменяющим сечение прохода пара, поступающего в паровую машину (дроссельное регулирование, показано на рисунке), или момент отсечки наполнения (количественное регулирование).

Паровые машины высокого давления
В паровых машинах пар поступает из котла в рабочую камеру цилиндра, где расширяется, оказывая давление на поршень и совершая полезную работу. После этого расширенный пар может выпускаться в атмосферу или поступать в конденсатор. Важное отличие машин высокого давления от вакуумных состоит в том, что давление отработанного пара превышает атмосферное или равно ему, то есть вакуум не создаётся. Отработанный пар обычно имел давление выше атмосферного и часто выбрасывался в дымовую трубу, что позволяло увеличить тягу котла.
Важность увеличения давления пара состоит в том, что при этом он приобретает более высокую температуру. Таким образом, паровая машина высокого давления работает при большей разнице температур чем та, которую можно достичь в вакуумных машинах. После того, как машины высокого давления заменили вакуумные, они стали основой для дальнейшего развития и совершенствования всех возвратно-поступательных паровых машин. Однако то давление, которое считалось в 1800 году высоким (275-345 кПа), сейчас рассматривается как очень низкое — давление в современных паровых котлах в десятки раз выше.
Дополнительное преимущество машин высокого давления состоит в том, что они намного меньше при заданном уровне мощности, и соответственно, существенно менее дорогие. Кроме того, такая паровая машина может быть достаточно легкой и компактной, чтобы использоваться на транспортных средствах. Возникший в результате паровой транспорт (паровозы, пароходы) революционизировал коммерческие и пассажирские перевозки, военную стратегию, и вообще затронул практически каждый аспект общественной жизни.

Пароход — судно, приводимое в движение паровой машиной или паровой турбиной (последние также называют турбоходами).

Пароходы с паровой машиной могут оснащаться гребными колёсами или гребными винтами. Гребной винт у пароходов устанавливается на одном валу с паровой машиной. У пароходов с турбиной гребной винт чаще приводится через редуктор или через электрическую передачу (однако на самых первых турбоходах использовались специальные тихоходные турбины, работавшие непосредственно на гребной винт; такие тихоходные турбины используются также на современных атомных подводных лодках для снижения шумности).

Паровоз — локомотив, использующий в качестве энергетической установки паровую машину. Паровозы были первым и долгое время господствующим типом локомотивов, сыграв таким образом огромную роль в становлении железнодорожного сообщения. Лишь начиная с середины XX столетия их вытеснили тепловозы и электровозы. Однако паровозы всё ещё активно используются в некоторых странах, например, в Китае, на Кубе и в Таиланде.
Первый паровоз, двигавшийся по рельсам, был создан в 1804 году Ричардом Тревитиком, первая железная дорога, открытая в 1825 году между Стоктоном и Дарлингтоном, обслуживалась паровозами Стефенсона. Этот паровоз стал прообразом для всех дальнейших разработок паровозов. В России первый паровоз был разработан отцом и сыном Черепановыми в 1834 году.