エンジンの高出力化と変速機の性能改善は著しく進展した。21世紀初頭の現在では、11～15リッタークラスの6気筒エンジンで定格460PSを発生する例もあり、各社が新製する2基エンジン搭載型気動車（多くは特急列車用）は電車と遜色ない走行性能水準に到達した。北海道旅客鉄道（JR北海道）の通勤形気動車キハ201系のように、電車と併結して協調運転を行う機能を備えた気動車も出現した。

車体を傾斜させることによりカーブを高速で通過できる機能を持った「振り子式車両」は、かつてはプロペラシャフトの伸縮の制約から気動車では不可能と見られていたが、1990年頃からスプラインに変わるボール式伸縮機構の採用によりその制約を克服した「振り子式気動車」が実用化された<ref>車体が傾斜した際、プロペラシャフトに大きなトルクがかかっていてもスムーズに伸縮できるように、ボールベアリングを数列並べた伸縮機構を持つプロペラシャフトを導入した。</ref>。曲線区間での高速運転を実現し、非電化幹線での大幅な高速化に寄与している。

また、JR東日本では、日本初の営業用のハイブリッド気動車であるキハE200形を開発し、運行を開始している。

一方、第三セクター鉄道や地方の非電化私鉄、またJR各社では、従来の国鉄型気動車よりも小型軽量で製造・運用コストの低い標準規格化車両が多く導入されている。これらについては「レールバス」<ref>西ドイツ国鉄のシーネンオムニブスにヒントを得、小規模輸送用にバスの部品を流用して昭和20～30年代に製造された、国鉄のキハ01系、南部縦貫鉄道のキハ101・102形などは、日本における「レールバス」の始祖である。また、山鹿温泉鉄道ではボンネットバスに鉄輪をつけた、文字通りの「レールバス」を走らせていた。</ref>と呼ばれることもある。富士重工業の「LE-Car・LE-DC」シリーズ、新潟鐵工所の「NDC」シリーズの車両が該当したが、1980年代～1990年代にかけて製造されたバスのような外観の車両は1990年代後半以降廃れ、本来の鉄道車両的な構造へと回帰しつつある。

高性能レールバスが出現すると、一部私鉄では電気鉄道でありながら気動車を運用する方が低コストと判断し、気動車運行に転換する例も出現した<ref>1920年代から1930年代にかけて、電化私鉄がコスト対策からガソリンカー併用を行った先駆例が複数存在するが、新型レールバス出現後の1980年代以降の気動車化では、名古屋鉄道の一部路線（現在は路線廃止）、近江鉄道（現在は電車運転）、くりはら田園鉄道（現在は路線廃止）、肥薩おれんじ鉄道といった例がある。</ref>。

更に現在では、道路と鉄道線路の両方を走る事が可能な、鉄道車両とバスを兼ねる車両の研究開発もJR北海道などを中心に進んでいる。これについてはデュアル・モード・ビークル (DMV) を参照のこと。