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蒸気機関の弁装置は、吸気弁と排気弁を操作して、シリンダー内に蒸気を吸入し、排気蒸気を排出する機構であり、サイクル内の適切なタイミングで作動します。また、逆転装置としても機能します。「運動部」と呼ばれることもあります。
単純なケースでは、バルブが常に同じタイミングで開閉する内燃機関のように、これは比較的簡単な作業となる。しかし、蒸気機関ではこれは理想的な配置ではない。なぜなら、最大の出力は動力行程全体を通して吸気バルブを開いたままにすることで得られる（つまり、行程全体を通してピストンに伝達損失を差し引いたボイラー圧力が加わる）のに対し、最高の効率は吸気バルブを短時間だけ開いて、その後シリンダー内で蒸気を膨張させることによって得られる（膨張作動）。
シリンダーへの蒸気供給が停止する点をカットオフ点といい、最適な位置は、行われる作業や、出力と効率のトレードオフによって異なります。蒸気機関には、蒸気流量の制限を調整するためのレギュレーター（米国ではスロットルと呼ばれる）が装備されていますが、ボイラー蒸気をより効率的に利用できるため、カットオフ点の設定によって出力を制御する方が一般的に好ましいとされています。
シリンダーへの蒸気供給を前死点または後死点の少し手前で行うことで、さらなる利点が得られる。この先行供給（リードスチームとも呼ばれる）は、高速回転時の慣性モーメントを緩和するのに役立つ。
内燃機関では、この動作はカムシャフト上のカムがポペットバルブを駆動することによって行われますが、この構成は蒸気機関では一般的に使用されていません。その理由の一つは、カムを使用して可変エンジンタイミングを実現することが複雑であるためです。代わりに、偏心カム、クランク、レバーのシステムが一般的に使用され、その動きからDスライドバルブまたはピストンバルブを制御します。一般的に、位相角が異なる2つの単純な調和運動がさまざまな比率で加算され、位相と振幅が変化する出力運動が得られます。このような機構は長年にわたってさまざまなものが考案されてきましたが、その成功度は様々です。
スライドバルブとピストンバルブの両方に、吸気と排気イベントが互いに固定されており、個別に最適化できないという制限があります。バルブの蒸気エッジにラップが設けられているため、カットオフが進むにつれてバルブストロークは減少しますが、バルブは常に完全に開いて排気されます。ただし、カットオフが短くなると、排気イベントも早まります。排気解放ポイントは動力行程の早い段階で発生し、圧縮は排気行程の早い段階で発生します。早期解放は蒸気のエネルギーをいくらか無駄にし、早期閉鎖も、本来不必要に大量の蒸気を圧縮するエネルギーを無駄にします。早期カットオフのもう1つの影響は、カットオフポイントでバルブが非常にゆっくりと動くため、狭窄点が発生し、蒸気がボイラーの全圧力よりも低い圧力でシリンダーに入ることになります（これは蒸気の「ワイヤードローイング」と呼ばれ、穴を通して金属線を引っ張って作るプロセスにちなんで名付けられました）。これは、指示線図で確認できるもう1つの無駄な熱力学的効果です。
こうした非効率性から、機関車用ポペットバルブ機構の実験が広く行われるようになった。吸気側と排気側のポペットバルブはそれぞれ独立して動かすことができ、サイクル制御の精度が向上した。結局、ポペットバルブを搭載した機関車はそれほど多くはなかったが、蒸気自動車やトラックでは一般的だった。例えば、センティネル社のトラック、機関車、レールカーはほぼ全てポペットバルブを採用していた。イギリスで後期に設計されたSRリーダー級機関車は、内燃機関から流用したスリーブバルブを採用していたが、この機関車は成功しなかった。
定置式蒸気機関、牽引機関、船舶用機関の実務において、弁および弁装置の欠陥は、複合膨張を引き起こす要因の一つであった。定置式機関では、トリップ弁も広く使用されていた。
バルブギアは発明の宝庫であり、長年にわたって数百ものバリエーションが考案されてきた。しかし、これらのうち広く普及したのはごく一部に過ぎない。それらは、標準的な往復動バルブ（ピストンバルブまたはスライドバルブ）を駆動するもの、ポペットバルブで使用されるもの、および半回転コーリスバルブまたはドロップバルブで使用される固定エンジントリップギアに分類できる。[ 1 ]
動作の一方の要素はクランクまたは偏心機構から生じ、もう一方の要素は別の発生源、通常はクロスヘッドから生じる。
湾曲または直線状のリンクで連結された2つの偏心歯車。低速ではうまく機能するシンプルな構造です。高速では、ワルシャート式歯車の方が蒸気分配が良く、効率も高いと言われています。
運動の2つの成分はどちらも単一のクランクまたは偏心機構から発生します。この方式（機関車に適用した場合）の問題点は、運動成分の1つが機関車のばねによる上下動の影響を受けることです。おそらくこれが、鉄道ではラジアルギアがワルシャート式ギアにほぼ取って代わられたものの、牽引機関や船舶用エンジンでは引き続き使用された理由でしょう。
これらにより、3気筒または4気筒の機関車を2組の弁装置だけで製造することが可能になります。最もよく知られているのは、3気筒機関車で使用されるグレスリー式連動弁装置です。ワルシャート式弁装置は通常、外側の2気筒に使用されます。外側の気筒の弁ロッドに接続された2本のレバーが、内側の気筒の弁を駆動します。ハロルド・ホルクロフトは、中間気筒を外側気筒の連動レバーアセンブリにリンクさせることで弁装置を連動させる別の方法を考案し、ホルクロフト式弁装置派生型を作成しました。4気筒機関車では、この配置はより単純です。弁装置は内側または外側のどちらにあっても構いません。内側と外側の気筒の弁をリンクさせるには、短い揺動軸のみが必要です。
大型定置式エンジンでは、ジョージ・ヘンリー・コーリスが開発した先進的なバルブ機構（一般にコーリスバルブ機構と呼ばれる）がよく用いられた。この機構は吸気と排気にそれぞれ独立したバルブを使用することで、吸気遮断を精密に制御できるようにした。蒸気の吸入と排出にそれぞれ独立したバルブとポート通路を用いることで、シリンダー内の凝縮と再蒸発に伴う損失も大幅に低減された。これらの特長により、効率が飛躍的に向上した。
機関車の進行方向と停止位置は、運転室から逆転レバーまたはスクリュー式逆転装置を用いて、弁装置本体に伸びるロッドを操作することで設定されます。大型蒸気機関車の中には、動力逆転装置（通常は蒸気で駆動するサーボ機構）を採用しているものもあります。これにより、運転士は逆転装置の操作を容易に行うことができます。