發動機的分類早期的汽車上曾使用過蒸汽機、電動機。然而，現代汽車已經全部使用內燃機。汽車內燃機是使燃料在氣缸內進行燃燒，產生膨脹壓力，又將這種壓力轉變為旋轉的機械力，通過傳動機械驅動車輛行駛的動力裝置。
內燃機可按不同的方法分類。按燃料可將內燃機分為如下幾種類型：以汽油作燃料的汽油機，以柴油作燃料的柴油機，以酒精作燃料的酒精內燃機，以木材、煤作燃料而轉換成煤氣的煤氣機。此外，還有以煤油、植物油、原油、液化石油氣等為燃料的一些內燃機。
由于使用的方便性及熱效率的利用等原因，目前廣泛采用的是石油產品燃料，如汽油、煤油、柴油和液化石油氣。因此在改用煤油、液化石油氣和煤氣時，必需改變發動機的結構和設計，而不能直接用于原來的標準汽油機。內燃機以工作循環分類，有二沖程和四沖程往復式活塞發動機兩種。自由活塞發動機和轉子發動機近年來也逐步得到應用。
而二沖程和四沖程往復式活塞發動機已幾乎全部占據了汽車領域，其中以四沖程的居多。內燃機按其冷卻方式又可分為水冷和風冷兩種。按氣缸數目可分為單缸的和多缸的。用得較多的多缸內燃機是四缸、六缸和八缸內燃機。過去還曾采用過十二缸和十六缸內燃機。現代汽車發動機通常采用往復式活塞、四沖程、水冷、菌式氣門（閥門）的汽油機。
典型汽車往復式活塞發動機的每個氣缸中有一個活塞，它在氣缸內作往復運動（前進和返回運動）。活塞走過一個行程的距離，叫做一個沖程。此時，曲軸正好轉動半周。發動機排量是發動機的一個重要參數。
一個氣缸的排量等于氣缸截面與行程的乘積，把這個乘積與缸數相乘，就可得到多缸發動機的排量。排量本身并不是發動機功率的唯一量度，還要考慮如下其它因素：（1）發動機轉速；（2）壓縮比；（3）氣門尺寸，升程和定時；（4）發動機內部摩擦；（5）零件的機械狀態。這些因素都在工作過程中變化，而對這些變化，作為設計、使用者或維修者而言，都應對此有所了解。
不過，最重要的是部件的機械狀態。維修人員修理時，應當保證部件的機械狀態良好。若發動機磨損或破壞嚴重，會使氣缸內壓力降低或完全沒有壓力，這是維修者首先應著手解決的。內燃機各行程將按順序完成如下動作：（1）進氣——可燃混合氣充滿氣缸或燃燒室；（2）壓縮——將混合氣壓縮；（3）爆發——點燃混合氣并產生爆發；（4）做功——利用爆發或膨脹力推動活塞作功；（5）排氣——將燃燒后的廢氣排出氣缸外。
發動機運轉時，這些動作在每個氣缸內都是這樣自動地重復。首先需要將混合氣沖入氣缸。利用柴油作燃料的柴油發動機中，進入氣缸的是空氣。當氣缸內空氣被壓縮而產生高溫時，將燃料噴入氣缸，高溫便使噴入的柴油自燃。而汽油機則是以電火花來點燃汽油混合氣的。四沖程循環多數汽車發動機以四個沖程循環進行工作。這類發動機稱“四沖程”或“奧托循環”發動機。
后者是以發明者的名字Nikolaus Otto命名的。發動機的工作循環由活塞的四個往復沖程所組成，活塞四個沖程產生一次推動力，而曲軸則轉動兩轉。具體的四個沖程如下：A、進氣沖程；打開進氣門活塞，將燃油與空氣的混合氣吸入氣缸。B、壓縮沖程：進、排氣門都關閉，活塞上行將混合氣壓縮。C、作功沖程：活塞運動到上止點，進、排氣門關閉，混合氣點燃，膨脹壓力推動活塞向下作功。D、排氣沖程：排氣門打開，活塞升起，排出氣缸內廢氣。
混合氣充入氣缸是因活塞運動，氣缸容積增大而造成真空，將混合氣吸入來完成的。混合氣從汽化器經過進氣管進入氣缸，是由進氣門開閉來控制的。二沖程循環二沖程循環（二循環）發動機曲軸旋轉一周，活塞往復各一次，來完成一個循環過程。二沖程發動機的氣缸壁上開有兩個孔，由活塞移動時關閉或打開它們來控制氣缸充氣和排氣，其作用就象氣門一樣。
由于活塞代替了氣門的某些功能，使得曲軸每旋轉一周，產生一次動力。二沖程循環進排氣孔僅僅是在活塞沖程快結束的短時間內被打開，其他時間均被活塞蓋住。活塞頂上靠進氣孔的一邊通常有導流臺，它將引導新鮮的混合氣進入活塞頂部，并將廢氣從對面的排氣孔排出。說明如下：由汽化器來的燃油和空氣混合氣通過片閥進入發動機曲軸箱。當活塞在氣缸底部時，氣孔打開。
由于上一沖程的作用，活塞向底部移動而壓縮曲軸箱氣體。因此，曲軸箱內壓縮的混合氣流入氣缸。當活塞返回并蓋住進、排氣孔時，氣缸開始壓縮。氣缸內產生壓縮的同時，活塞使曲軸箱產生真空，新混合氣從汽化器吸入曲軸箱。活塞運動到頂部位置，氣缸內混合氣點火燃燒。燃燒氣體膨脹作功，推動活塞往下運動，曲軸箱內片閥關閉，曲軸箱內混合氣受到壓縮。活塞往下運動到接近下死點時，打開進、排氣孔，曲軸箱內被壓縮的混合氣進入氣缸、靠活塞頂部導流臺引導到氣缸上端。
進入的新氣流有助于廢氣排出氣缸外。曲軸箱內真空和壓縮交替進行，毋需利用鼓風機或增壓器推動混合氣進入氣缸。在國外的某些設計中（例如美國的某些柴油機），圍繞著氣缸下部常開有一排孔作為進氣孔，將活塞作為進氣閥用。位于氣缸蓋上的排氣門，由凸輪驅動。在這類設計中是利用鼓風機將空氣送入氣缸。柴油則靠高壓噴入。
汽車發動機要滿足如下一些基本要求：（1）起動不受氣溫影響；（2）可靠性不受時間地點影響；（3）功率能很快建立；（4）速度能很快增加；（5）燃油與其他油消耗低，（6）操縱靈活；（8）不用經常調整。（7）噪音小；有些要求是相互沖突的。例如，較大的功率可以從較大的發動機中獲得，但是大型發動機的經濟性較差。因此，要綜合考慮上述一些基本要求，以獲得最佳的性能。
汽車發動機的冷卻通常采用水冷或風冷；其工作循環，通常采用四沖程循環或二沖程循環并且大多數是多缸。多缸發動機的氣缸有直列式、對置式、V型幾種排列，其它用途的發動機（如航空用的），有徑向式（星式），倒缸直列式，倒缸V型，X型或其它型式。發動機曲軸箱和氣缸體通常鑄成一體，是汽車上最大和最復雜的金屬件。
即使氣缸體、氣缸蓋和氣缸套是分離件，曲軸箱仍是發動機上的大件。曲軸箱和缸體通常用含有合金的高級鑄鐵鑄造，以改善氣缸的耐磨性。這些大鑄件必須有較好的強度和剛度，同時應避免產生彎曲和其他變形。曲軸箱和缸體是復雜鑄件，由于厚度不等，澆鑄后冷卻不均，內應力有時會引起變形。可采用各種措施，減小這種變形。
進氣歧管變形是因氣缸周圍金屬厚薄不均，工作時受熱膨脹或受冷收縮，或機械應力過大（螺栓緊固不均勻或扭力過度）而產生。可能發生以下幾種變形；缸蓋表面變形或翹曲，氣缸縱向變形或失圓，曲軸或凸輪軸孔變形，各軸承孔的中心線不在一條直線上等等。為加強缸體和曲軸箱的強度，應在曲軸箱最大應力處加上鑄造筋，或將曲軸箱延長。用普通的鑄鐵或鑄鋁作材料是相當少見的，通常使用的是合金材料。
在使用鑄鐵時，通常添加少量鉻、鉬或其它金屬。在使用鑄鋁時，也同樣添加其它金屬使其成為鋁合金。同時還通過熱處理和化學處理增加強度，提高金屬抗腐蝕性。有時在氣缸內鑲缸套，這既能抗磨，又可減少變形。在一些發動機的氣缸體內鑲上的缸套，可作為活塞環的支撐面。這種缸套有兩種形式，一種為“濕式”，一種為“干式”。干式只是一個套筒，壓入缸體的孔內。濕式是這樣一種缸套，它取代缸體壁，冷卻水在氣缸套外表面循環，氣缸套直接與冷卻水接觸。
在這種情況下，氣缸套兩頭要有隔水圈，濕式或干式氣缸套都有各自的維修優點。若一個氣缸被磨損壞，更換一個氣缸套要比把氣缸擴孔，配上加大活塞和活塞環經濟得多。而且擴孔將造成排油量增大，同時會使發動機失去平衡。除非所有氣缸擴孔大小一樣，才能避免不平衡。另一個減少氣缸壁磨損的方法是在缸壁內鍍鉻，但現在已很少使用。在這種情況下，還須仔細地在缸壁上研磨出一些細小的網紋，以使油膜容易粘附在上面。
引起磨損的原因如下：（1）活塞環對氣缸壁有壓力；（2）在氣缸內有水凝結；（3）工作溫度；（4）潤滑程度；（5）所使用的燃油型號；（6）發動機工作時的保養；（7）由汽化器進入氣缸內的潤滑油和燃油中的磨粒數量；（8）發動機的運行時間。因磨損而失圓主要是由于活塞的側向力所引起的，這種側向力在作功沖程時最大。發動機結構特點也會影響氣缸壁磨損。短行程發動機要比長行程發動機磨損快些；高速發動機要比低速發動機磨損快些。這是因為增加了對氣缸壁的壓力。
氣缸套周圍的水套結構也是一個重要因素，因為在水套內累積的銹粒和其他雜物的數量是與結構有關的。氣缸套的磨損主要在開始運行幾公里時發生，這時發動機還沒有達到規定工作溫度，在這段時間內，氣缸套中有大量的凝結水，同時沒有多少潤滑油在氣缸壁上。
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