Cette thèse propose une relecture de l'histoire des chemins de fer et de la traction vapeur au prisme de la pollution de l'air entre les années 1820 et 1960, dans une approche comparée entre la France et la Grande-Bretagne. En déplaçant le regard depuis la vapeur vers la fumée, elle ne donne pas seulement un nouvel exemple des dommages sociaux et environnementaux de l'industrialisation aux xixe et xxe siècles, mais expose aussi la manière dont la pollution de l'air peut influencer le développement d'un système technique. À travers les sensibilités exprimées par différents publics du train que sont les riverains, les voyageurs et les travailleurs, nous montrons comment cette pollution perceptible par la vue et par l'odorat devient un élément structurant les représentations du train et l'espace ferroviaire lui-même. Ces perceptions sont soumises à différents biais qui conduisent à sous-évaluer l'importance du phénomène et à retarder l'évolution de son cadrage depuis le local vers le national et depuis la nuisance de proximité vers le problème de santé publique : la familiarité des fumées, d'une part ; leur dispersion, d'autre part ; et enfin, leur caractère a priori mobile alors qu'elles sont principalement concentrées dans des établissements industriels fixes. L'approche comparée permet d'identifier des motifs communs et de souligner des différences culturelles du point de vue du rapport au charbon, à la vapeur et à la fumée. Elle montre ainsi que l'espace britannique présente des conditions plus favorables à la reconnaissance de la contribution ferroviaire à la pollution de l'air et à sa mise à l'agenda politique.
Suivant un parcours chrono-thématique, nous exposons d'abord qu'en pleine industrialisation, les perceptions négatives envers les fumées résultant de la combustion du charbon de terre contraignent immédiatement l'insertion de foyers mobiles dans l'environnement habité, obligeant les acteurs ferroviaires à adopter une stratégie d'acclimatation de la technique qui repose d'une part sur l'enchantement de la traction vapeur et la disqualification des critiques et d'autre part sur différents compromis et aménagements d'ordre énergétique, technique et environnemental. Le recours croissant à des combustibles donnant plus de fumée afin de réaliser des économies d'échelle pose une limite à cette stratégie, renforçant les tensions dans l'espace ferroviaire et son voisinage jusqu'à produire l'image de la « locomotive à fumée ». À la fin du xixe siècle, le développement d'alternatives dans l'espace urbain vient contester la place de la locomotive à vapeur dans les imaginaires de la modernité et participe à son désenchantement. En particulier, l'expérience des modes électriques alimente la demande de solutions radicales contre les fumées. Au xxe siècle, dans un contexte de plus en plus concurrentiel, nous montrons que la prise de conscience graduelle par les acteurs ferroviaires et par les décideurs des coûts économiques et sociaux de cette pollution participe au choix de sortir de la vapeur au profit d'un mix pétrole-électrique. À travers l'étude de l'entreprise de promotion de la modernisation du rail, nous exposons finalement comment les chemins de fer nationaux retournent le stigmate de saleté pour réinventer le train comme un mode de transport propre et responsable, au fondement de son image écologique actuelle.