Rudolf Diesel patenteou o seu motor em 1892. Funciona de forma diferente de um motor a gasolina. Em vez de misturar combustível e ar e inflamar a mistura com uma faísca, um motor a diesel comprime o ar a tal ponto que este aquece o suficiente para inflamar o combustível quando entra em contacto. A taxa de compressão é muito mais elevada, tipicamente de 14:1 a 25:1, em comparação com 8:1 a 12:1 para motores a gasolina. Isto confere aos motores a diesel mais binário e melhor eficiência de combustível.

O motor não possui velas de ignição. Tem injetores de combustível que pulverizam o gasóleo diretamente na câmara de combustão no momento certo. O combustível inflama com o calor da compressão. A combustão é irregular e ruidosa, razão pela qual os motores a diesel fazem barulho. A injeção common-rail moderna e a turbocompressão tornaram-nos mais silenciosos, limpos e potentes.

Os motores a diesel são comuns em camiões, autocarros, navios, comboios e equipamentos pesados. São também populares em automóveis de passageiros na Europa, onde os impostos sobre os combustíveis favorecem o gasóleo. Nos Estados Unidos, os automóveis a gasóleo representam um mercado de nicho, em parte devido ao escândalo de emissões da Volkswagen, que revelou que alguns veículos fraudaram os testes de emissões.

Os gases de escape dos motores a diesel contêm óxidos de azoto e material particulado, que prejudicam a qualidade do ar. Os sistemas modernos utilizam a redução catalítica seletiva, filtros de partículas diesel e recirculação dos gases de escape para tratar estes gases. Os motores são eficientes, mas não são totalmente limpos sem um sistema de pós-tratamento.