汽車發動機是將化學能轉化為機械能的裝置，其工作原理涉及多個關鍵步驟。

首先是燃料供給，汽車發動機通常用汽油或柴油作燃料。燃料泵把燃油從油箱抽出送至噴油器，噴油器將燃油以細小噴霧噴入進氣道與空氣混合。

然后是壓縮，進氣道吸入的混合氣體在活塞運動下被壓縮至高壓狀態。汽油發動機中，活塞朝汽缸頂部移動時關閉進氣門；柴油發動機依靠高壓注射泵將柴油直接噴入預燃室。

接著是爆燃，汽油發動機里，火花塞產生的電火花點燃壓縮的混合氣體引發爆燃；柴油發動機利用高溫高壓使柴油自燃。

最后是排氣，活塞向下運動時，廢氣通過排氣門被釋放到排氣系統并排出車外，新的燃料混合物通過進氣門進入汽缸開始新循環。

發動機啟動前是靜止的，現在大多靠電動起動機啟動。啟動前，點火開關擰到通電位，汽油泵啟動給燃油系統提供壓力，點火線圈初級繞組通電，電控系統準備好，再擰到啟動位，起動機帶動曲軸轉動。

以某一氣缸為例，起動機帶動曲軸使活塞從上止點下行，氣缸產生真空吸力，進氣門開，空氣或可燃混合氣被吸入，進氣沖程結束。進氣終了時，自然進氣發動機氣缸內壓力比大氣壓略低，增壓發動機進氣壓力和溫度更高。

進氣結束，活塞從下止點向上運動，進排氣門都關閉，氣體被壓縮，溫度和壓力升高，壓縮沖程結束。

壓縮結束，火花塞點火，可燃混合氣燃燒，體積膨脹推動活塞下行，這是做功沖程，是唯一產生動力的沖程，此沖程中發動機內溫度高達 2000°C，壓力高達 5MPa。

做功結束，活塞到達下止點，隨著活塞下行，溫度和壓力降低。

汽車發動機的核心是氣缸，一般由多個圓筒狀氣缸組成，可獨立工作，動力匯合一起驅動車輛。常見氣缸排列有直列、V 形和水平對置。水平對置發動機能抵消振動，運轉平穩，重心低，增強行駛穩定性。V 形和水平對置發動機都由直列演變而來。相同功率下，缸數越多，缸徑越小，轉速越高，運轉平衡性更好，但零部件增加，結構復雜，成本和油耗也增加，所以氣缸數要綜合考慮車型定位、用途和性能要求等。