Outre le domaine ferroviaire, la société s'est très tôt diversifiée dans de nombreux domaines : machines agricoles, moteurs électriques, cycles et automobiles en proposant la « voiturelle » en 1898.
De 1891 à 1902, Decauville produisit six modèles de cycles dont certains étaient équipés afin de pouvoir circuler sur voie ferrée, par adjonction d'un système composé de trois tubes et d'un galet de roulement. La production emblématique de cette gamme a été celle des tricycles, qui servirent, entre autres, de base au prototype De Dion-Bouton.
La société Decauville s'est engagée dans l'automobile aux côtés de la société De Dion-Bouton pour laquelle elle avait réalisée 3000 tricycles à moteur. Après plusieurs années d'études, Decauville présenta sa voiturelle (1898-1903). Ce petit véhicule de trois places, conçu à Bordeaux par deux ingénieurs des Messageries maritimes, était doté d'un moteur à essence. Decauville étudia un nouveau châssis qui fut présenté en 1902 au salon du cycle. Étonnamment modulaire (il était possible d'interchanger banquettes et moteurs) ce modèle Decauville 1902 connut un grand succès. Pourtant dès 1907 les commandes diminuent et une crise s'amorce. Le peu de réactivité de Decauville entraîna l'arrêt de l'activité de la branche « automobile » en 1909. La vente de modèles en stock se poursuivit toutefois jusqu'en 1911.
La production ferroviaire s'est arrêtée dans les années 1970 pour se tourner vers la carrosserie routière (tombereaux et citernes) aux côtés de la société Marrel. Celle-ci absorbera les ateliers un peu plus tard entrainant la disparition de la société Decauville.
Les premières locomotives ont été fabriquées par Couillet, à Marcinelle en Belgique. Il s'agit de petites 020 à tender séparé conçues pour être transportées à dos d'éléphant. Decauville a collaboré avec de très nombreux ateliers pour la construction de ses machines. On citera la société Métallurgique de Tubize pour la construction des Mallet de l'exposition universelle ou les établissements Weidknecht.