Klasycznym typem kotła parowozowego, którego zasady konstrukcji przez wiele lat pozostawały bez zmian, jest kocioł Stephensona zastosowany po raz pierwszy przez Stephensona w parowozie Rocket, stopniowo udoskonalany aż do osiągnięcia olbrzymich wymiarów i mocy. Składa się on z dwóch głównych części: walczaka (poziomego kotła cylindrycznego) oraz stojaka (kotła skrzyniowego), w którym znajduje sic palenisko. Wzdłuż walczaka przechodzą rury ogniowe: mniejsze — płomieniówki i większe — płomienice. Z przodu walczak jest zakończony dymnicą.
Dzięki swemu kształtowi płaszcz walczaka jest dostatecznie wytrzymały na ciśnienie pary. Płaska ściana sitowa dymnicy musi mieć odpowiednie usztywnienie — tworzą je rury ogniowe na obydwu końcach zawalcowane albo przyspawane do przedniej lub tylnej ściany sitowej. Dzięki temu świetnie uszczelniają skrzynię ogniową oraz utrzymują obydwie ściany sitowe w stałej pozycji. Walczak i stojak były przez kilkadziesiąt lat nitowane, ale nowoczesne metody spawania umożliwiły spawanie także podłużnych i obwodowych szwów kotła parowozu.
Kształt stojaka, w którym umieszczono palenisko jest bardzo niekorzystny z punktu widzenia jego obciążenia. Między płaszczem kotła a paleniskiem (skrzynią ogniową) muszą znajdować się setki zespórek, przy nitowanych lub przyspawanych do obydwu ścian tak, aby nie dopuścić do deformacji kotła. W większych kotłach, w których różnice rozszerzalności cieplnej paleniska i płaszcza zewnętrznego są zbyt duże, w krytycznych miejscach należy stosować zespórki przegubowe.
Złożony system zespórek i usztywnień w górnej części stojaka spowodował, że poszukiwano prostszych rozwiązań.
Kocioł skonstruowany przez Alfreda Belpairea był używany przede wszystkim w Belgii, Francji i Wielkiej Brytanii. Miał on znacznie prostszy system równoległych zespórek i usztywnień dzięki płaskiemu kształtowi sklepienia stojaka. W palenisku Polonceau do usztywnienia sklepienia zastosowano zamiast zespórek kołnierzowe złącza nitowane. Stosowano je przez pewien okres bez większego powodzenia we Francji i Austro-Węgrzech. Kocioł, który zaprojektował Johan Brotan był używany na początku XX wieku w Austro-Węgrzech. Miał on ściany paleniska wykonane z pionowych rurek zamocowanych na górze i na dole w cylindrach zbiorczych (rys. 3c), dzięki czemu wyeliminowano całkowicie zespórki. Z powodu trudności z uszczelnieniem rurek nie znalazł on szerszego zastosowania. Z historycznego punktu widzenia należy wspomnieć o kotłach płomienicowych, które były poprzednikami kotłów rurowych, ale miały tylko jedną lub dwie szerokie rury, dlatego ich powierzchnia ogrzewalna była mała.
Oprócz wymienionych kotłów pionowych, początkowo stosowano kotły kopulaste wprowadzone w Wielkiej Brytanii przez Bury’ego. Ich kopuły służyły jako usztywnienie i zbieralnik pary.
Palenisko (skrzynia ogniowa) było najczęściej wykonane z miedzi, materiału o dobrej przewodności cieplnej, mało wrażliwego na zmiany temperatury. W czasie wojny ze względu na brak metali kolorowych miedziane paleniska zastępowano stalowymi. Dopiero w końcowej fazie rozwoju parowozu ostatecznie wylansowano stalowe paleniska spawane jako pełnowartościowy zamiennik palenisk miedzianych. Przy gorszej przewodności cieplnej mogły być cieńsze dzięki większej wytrzymałości mechanicznej. Były one jednak wrażliwe na gwałtowne zmiany temperatury.
Początkowo kształt paleniska zależał od tego, czy znajdowało się ono między kołami czy też między wewnętrznymi ostojnicami. Określało to również największą szerokość rusztu (tzw. wąskie palenisko). Ruszt i popielnik przeszkadzały w umieszczeniu wiązanych osi napędnych w parowozach z kołami o dużych średnicach. Ostoja takiego parowozu zbytnio wystawała z tyłu powodując jego nierówną jazdę, natomiast w konstrukcjach Thomasa Cramptona oś napędną umieszczano dopiero za kotłem. Powierzchnię rusztu można było powiększyć wydłużając palenisko, co znowu oznaczało skrócenie rur walczaka, więc zmniejszenie powierzchni ogrzewalnej. Aby móc spalać węgiel o mniejszej wartości opałowej trzeba było poszerzyć palenisko. Można to było osiągnąć umieszczając jedną lub dwie osie toczne pod stojakiem lub podnosząc oś kotła tak wysoko, aby cały stojak znalazł się nad osiami napędnymi lub ostoją.
Początkowo poziomy przekrój paleniska był dany wielkością rusztu. W niektórych, zwłaszcza nowszych parowozach, wydłużono palenisko do przodu do walczaka, dzięki czemu powstała tzw. komora spalania (rys. 4). Umożliwia ona dokładniejsze spalanie paliwa i gazów, ponieważ powiększa powierzchnię ogrzewalną kotła (napromienianą płomienicami) kosztem powierzchni pośredniej (dotykającej gorących gazów), jednocześnie chroni tylną ścianę sitową przed zbyt dużym nagrzaniem. Dalsze powiększanie powierzchni ogrzewalnej kotła i cyrkulację wody w kotle osiągnięto stosując kombinację rur różnych kształtów — termosyfonów, rur sklepieniowych, cyrkulatorów — łączących górna, dolna i boczną komorę wodną stojaka przez komorę paleniska.
Przed zbyt dużym promieniowaniem ognia, końcówki rur i ściana sitowa pieca są na sklepieniu nad częścią powierzchni rusztowej chronione ceramiczną wykładziną z cegły szamotowej. Sklepienie przedłuża drogę spalin i przyczynia się do lepszego spalania.
Ważną częścią paleniska są korki topliwe — wydrążone śruby wypełnione ołowiem, umieszczone w suficie paleniska. Jeżeli z jakiegokolwiek powodu poziom wody w kotle obniży się poniżej sufitu skrzyni ogniowej, to ołów rozgrzeje się ponad temperaturę topnienia i wycieknie z wydrążenia śruby. Przez powstały otwór para przedostanie się do paleniska. W ten sposób ugasi ogień i jednocześnie sygnałem dźwiękowym zwróci uwagę obsłudze, że należy uprzątnąć ogień zanim nastąpi awaria spowodowana przegrzaniem kotła.
Wielkość i wykonanie rusztu zależały od mocy kotła oraz od używanego opału. W krajach, gdzie był dostatek węgla kamiennego o dużej wartości opałowej (np. w Wielkiej Brytanii) wąskie paleniska z małymi rusztami utrzymywały się znacznie dłużej, niż tam, gdzie parowozy opalano węglem brunatnym, lignitem lub drewnem.
Problemy spiekania żużla i łatwiejszej obsługi paleniska rozwiązały ruszty wstrząsane, których rusztowiny można było przechylać dźwignią. Specjalne paleniska miały parowozy opalane pyłem węglowym lub paliwami płynnymi, które pojawiły się już w pierwszym dziesięcioleciu naszego wieku. W parowozach spalających paliwa płynne ruszt był niepotrzebny. Były one wyposażone w olejowe palniki różnego natężenia, a palenisko było chronione przed wysoką temperaturą dokładną wymurówką. Parowozy na paliwo olejowe były najbardziej rozpowszechnione w Stanach Zjednoczonych, gdzie eksploatowano je nawet na kolejach leśnych. W Europie od 1907 roku używano ićh w galicyjskiej części Austro-Węgier, w Rosji, a w późniejszych latach rozpowszechniły się na kolejach niemieckich — w NRD i RFN, francuskich i hiszpańskich. W Polsce również eksploatowano parowozy opalane olejem napędowym (niektóre maszyny z serii Tw1, Ty23, Twl2, 0112, Ty4, Ty45). Podczas jazdy przez tereny miejskie stosowano w parowozach dodatkowe palniki olejowe, ponieważ pojazdy takie wydzielały mniej dymu. Spalanie pyłu węglowego w parowozach nie przyjęło się na większą skalę.
Ze względu na spalanie w parowozach amerykańskich dużych ilości węgla gorszej jakości, na początku XX wieku skonstruowano urządzenie do mechanicznego podawania węgla. Wegiel, rozdrobniony wcześniej na małe kawałki, podaje na tylną część paleniska śrubowy przenośnik napędzany małym szybkoobrotowym silnikiem parowym. Następnie dysze parowe rozrzucają go po całym ruszcie. Mechaniczny podajnik węgla — stoker — ułatwił znacznie pracę palaczowi, nie mówiąc już o tym, że rusztów o powierzchni ponad 6mJ (w Stanach Zjednoczonych nawet 15 m2) nie można już było obsłużyć łopatą. W Stanach Zjednoczonych stokery stały się oczywistością. W Europie stosowano je w parowozach o dużej mocy we Francji, Związku Radzieckim oraz Czechosłowacji, gdzie spalano rodzimy węgiel o małej kaloryczności. W latach trzydziestych stokery wprowadzono również w Polsce na parowozach serii Ty23, a po II wojnie światowej na parowozach serii Ty45, Pt47, Ty51.
Kocioł, jako zbiornik ciśnieniowy, jest objęty we wszystkich krajach specjalnymi przepisami o systematycznej kontroli i próbach ciśnieniowych. Zgodnie z nimi musi być wyposażony w odpowiedni osprzęt, przede wszystkim w zawory bezpieczeństwa, wodowskazy, manometry. Oprócz tego w dolnej części kotła znajdują się zawory odmulające, otwory do wymywania i inne wyposażenie. Sam zbiornik ciśnieniowy kotła jest największą, najbardziej złożoną i nadzorowaną, ale nie jedyną częścią kotła. Jego praca byłaby niemożliwa bez innych urządzeń.
Jednym z nich jest urządzenie do uzupełniania wody w kotle. Pierwsze pompy tłokowe napędzane przez osie parowozów nie zapewniały uzupełniania wody podczas postoju parowozu. Jeżeli pociąg stał dłużej na stacji, to trzeba było odłączać parowóz, aby w czasie jazdy mogły zostać uzupełnione braki wody. Dlatego wkrótce wprowadzono pompy o napędzie niezależnym od ruchu pojazdu.
Innym sposobem wtłaczania wody do kotła będącego pod ciśnieniem jest dynamiczne działanie pary w inżektorze. Inżektor nie ma części ruchomych, jest mały i na dodatek ogrzewa wodę mieszając ją z parą. Inżektory były stosowane zarówno do pary zużytej, jak i świeżej. Niektóre zarządy kolejowe używały do końca eksploatacji parowozów tylko inżektorów, często była to kombinacja pompy tłokowej i inżektora. Pompy tłokowe nie podgrzewały wody zasilającej, dlatego musiały współpracować z różnymi typami podgrzewaczy powierzchniowych lub mieszadłowych. Podgrzewacze wykorzystywały ciepło odpadowe pary zużytej pochodzącej z silnika parowego i innych urządzeń parowozu lub ciepło spalin, podnosząc w ten sposób ogólną sprawność parowozu.
Specjalnym podgrzewaczem był podgrzewacz systemu Franco Crosti, w którym spaliny z dymnicy były odprowadzane przez jeden lub dwa cylindryczne wymienniki. Przekazywały w nich ciepło wodzie zasilającej i następnie w tylnej części kotła uchodziły na zewnątrz bocznymi kominami.
Para powstająca w kotle zbiera się w jego najwyższych miejscach, zazwyczaj w wystającej części — zbieralniku pary. W nim też znajduje się przepustnica, którą maszynista reguluje dopływ pary do cylindrów silnika. Para w kotle jest tzw. parą nasyconą. Jej temperatura jest określona ciśnieniem (np. przy około 200 °C 16 atm) i nad powierzchnią wody w kotle nie może być wyższa niż określona tym ciśnieniem. Ażeby para doprowadzona do silników miała lepszą prężność stosuje się przegrzewacze pary.
Znaczną poprawę sprawności cieplnej kotła można osiągnąć po przegrzaniu pary co najmniej do temperatury 300 °C. Takie przegrzanie umożliwia przegrzewacz rurowy skonstruowany przez Wilhelma Schmidta. Para nasycona jest odprowadzana do wiązki cienkich rurek wsuniętych do płomienie, skąd po przegrzaniu jest doprowadzana do cylindrów parowych. Zmniejszenie liczby rurek w kotle pomniejszyło wprawdzie powierzchnię ogrzewalną kotła, ale przegrzewacz wyrównał z nadwyżką tę stratę. Dzięki przegrzewaczowi można było zaoszczędzić 40% wody i 15% paliwa. Pierwsze parowozy, w których przegrzewacz znajdował się w jednej rurze o dużym przekroju, zostały skonstruowane w 1898 roku.
Ponieważ komin parowozu jest niski, przeto nie może zapewnić odpowiedniego do potrzeb spalania ciągu w komorze paleniskowej. Z tego powodu od początku konstruowania kotłów sztucznie zwiększano intensywność pary odlotowej z cylindrów do komina. Para dzięki działaniu dyszy wytwarza w dymnicy podciśnienie i wyciąga spaliny do komina. Lepsze wykorzystanie energii pary odlotowej zostało osiągnięte przez rozdzielenie strumienia pary do dwu lub więcej dysz i przez nadawanie kominom różnych kształtów. We Francji, Wielkiej Brytanii i Czechosłowacji rozpowszechniły się dysze systemu Kylchap, nazwane tak od nazwisk wynalazców Kyllalla i André Chapélona, a w Austrii i Czechosłowacji dysza płaska opatentowana przez Giesla. Dysza wylotowa pary zużytej znajdująca się w dymnicy spełnia jednocześnie funkcję automatycznej regulacji, ponieważ im więcej pary zużywa silnik parowy, tym większy jest ciąg w palenisku, a przy dostatecznym podawaniu paliwa tworzy się w walczaku więcej pary. W celu wytworzenia podciśnienia w dymnicy podczas postoju parowozu stosuje się specjalną dmuchawkę działającą na parę świeżą.
W parowozach tzw. kondensacyjnych, przeznaczonych do pokonywania większych odległości bez uzupełniania wody, parę odlotową odprowadza się do tendra, gdzie po skropleniu miesza się ją z wodą do ponownego wykorzystania. Najpierw uruchamia się wentylator wytwarzający w dymnicy niezbędne podciśnienie, a następnie wentylator chłodzący parę podczas skraplania.
Kocioł przyciągał zawsze największą uwagę konstruktorów i teoretyków dążących do zwiększenia sprawności parowozów. Jednym ze sposobów jej polepszenia było skonstruowanie wielostopniowych kotłów wysokoprężnych na 60 i 120 atm. W normalnej eksploatacji takie techniczne cudeńka były zbyt skomplikowane i mało sprawne, tak że pozostały tylko w pojedynczych egzemplarzach, a ciśnienie w eksploatowanych parowozach nie przekroczyło wartości 21 atm. W 1981 roku w Republice Południowej Afryki oddano do użytku zrekonstruowany parowóz z paleniskiem do dwustopniowego spalania, zgodnie z projektem Argentyńczyka Livio D. Porty.