Ο Ρούντολφ Ντίζελ κατοχύρωσε με δίπλωμα ευρεσιτεχνίας τον κινητήρα του το 1892. Λειτουργεί διαφορετικά από έναν βενζινοκινητήρα. Αντί να αναμειγνύει καύσιμο και αέρα και να τον αναφλέγει με σπινθήρα, ένας πετρελαιοκινητήρας συμπιέζει τον αέρα τόσο πολύ που θερμαίνεται αρκετά ώστε να αναφλέγει το καύσιμο κατά την επαφή. Η αναλογία συμπίεσης είναι πολύ υψηλότερη, συνήθως 14:1 έως 25:1, σε σύγκριση με 8:1 έως 12:1 για τη βενζίνη. Αυτό δίνει στους πετρελαιοκινητήρες μεγαλύτερη ροπή και καλύτερη απόδοση καυσίμου.

Ο κινητήρας δεν έχει μπουζί. Διαθέτει μπεκ ψεκασμού καυσίμου που ψεκάζουν ντίζελ απευθείας στον θάλαμο καύσης την κατάλληλη στιγμή. Το καύσιμο αναφλέγεται από τη θερμότητα της συμπίεσης. Η καύση είναι ανομοιόμορφη και θορυβώδης, γι' αυτό και οι κινητήρες ντίζελ κάνουν θόρυβο. Ο σύγχρονος ψεκασμός common rail και η υπερσυμπίεση τους έχουν κάνει πιο αθόρυβους, καθαρότερους και πιο ισχυρούς.

Οι κινητήρες ντίζελ είναι συνηθισμένοι σε φορτηγά, λεωφορεία, πλοία, τρένα και βαρέα μηχανήματα. Είναι επίσης δημοφιλείς στα επιβατικά αυτοκίνητα στην Ευρώπη, όπου οι φόροι καυσίμων ευνοούν το ντίζελ. Στις Ηνωμένες Πολιτείες, τα αυτοκίνητα ντίζελ αποτελούν μια εξειδικευμένη αγορά, εν μέρει λόγω του σκανδάλου εκπομπών ρύπων της Volkswagen, το οποίο αποκάλυψε ότι ορισμένα αυτοκίνητα απάτησαν στις δοκιμές εκπομπών ρύπων.

Τα καυσαέρια ντίζελ περιέχουν οξείδια του αζώτου και σωματίδια, τα οποία βλάπτουν την ποιότητα του αέρα. Τα σύγχρονα συστήματα χρησιμοποιούν επιλεκτική καταλυτική αναγωγή, φίλτρα σωματιδίων ντίζελ και ανακυκλοφορία καυσαερίων για τον καθαρισμό τους. Οι κινητήρες είναι αποδοτικοί, αλλά δεν είναι καθαροί χωρίς μετεπεξεργασία.