Rudolf Diesel a breveté son moteur en 1892. Son fonctionnement diffère de celui d'un moteur à essence. Au lieu de mélanger l'air et le carburant et de les enflammer par une étincelle, un moteur Diesel comprime l'air au point de le chauffer suffisamment pour enflammer le carburant au contact. Le taux de compression est beaucoup plus élevé, généralement de 14:1 à 25:1, contre 8:1 à 12:1 pour l'essence. Cela confère aux moteurs Diesel un couple supérieur et un meilleur rendement énergétique.

Le moteur n'a pas de bougies d'allumage. Il est équipé d'injecteurs qui pulvérisent le gazole directement dans la chambre de combustion au moment opportun. Le carburant s'enflamme grâce à la chaleur de la compression. La combustion est irrégulière et bruyante, ce qui explique le cliquetis des moteurs diesel. L'injection directe à rampe commune et la suralimentation par turbocompresseur ont permis de les rendre plus silencieux, plus propres et plus puissants.

Les moteurs diesel sont courants dans les camions, les bus, les navires, les trains et les engins de chantier. Ils sont également répandus dans les voitures particulières en Europe, où la taxation des carburants est avantageuse pour le diesel. Aux États-Unis, les voitures diesel constituent un marché de niche, notamment en raison du scandale des émissions de Volkswagen, qui a révélé que certains véhicules avaient truqué les tests d'émissions.

Les gaz d'échappement des moteurs diesel contiennent des oxydes d'azote et des particules fines, qui nuisent à la qualité de l'air. Les systèmes modernes utilisent la réduction catalytique sélective, les filtres à particules diesel et le recyclage des gaz d'échappement pour les dépolluer. Ces moteurs sont performants, mais ils ne sont pas propres sans post-traitement.