柴油引擎分為二行程與四行程兩種，主要是依其運轉方式做區分。四行程柴油引擎的運作，主要分為四個步驟：
進氣行程：排氣門關閉而進氣門打開。當活塞從上死點往下行時，僅有在進氣岐管中的空氣會經由進氣門被吸入汽缸之中，此時並沒有燃油進入汽缸內。
壓縮行程：在進氣行程結束後，並當活塞從下死點開始往上走時，進氣門即關閉並停止進氣。在活塞上升的同時壓力和溫度便開始增加。在柴油引擎中，空氣必需被壓縮加熱，直至它到達點火溫度以上。
動力行程：當壓縮行程接近終了時，噴油嘴將燃油以霧化方式噴出，經壓縮加熱後之空氣即會點燃被霧化之燃油。在此結果下，汽缸內之壓力將迅速上升並將活塞往下推，此推力變成讓曲軸產生轉動的力量。
排氣行程：在燃燒過程結束後，並當活塞往下走接近下死點時，排汽門即會開啟。當活塞再度往上行時，廢氣便經由排汽門、排汽歧管和消音器將廢氣排至大氣中。
柴油引擎在機構元件方面，非常類似於汽油引擎的，但是汽油引擎主要是靠火星塞來點燃混合器，而柴油引擎則是純粹導入空氣並經具高壓縮比(16~23:1)的汽缸容積來壓縮空氣，使所壓縮的空氣其溫度迅速上升超過500℃，然後經由噴油嘴將柴油注入加以霧化，之後藉由已被壓縮的空氣所產生之高溫來自行點燃霧化的柴油。因此柴油引擎不需使用點火系統，但它仍需要噴射泵浦和噴油嘴所組成的燃油噴射系統。