Rudolf Diesel đã đăng ký bằng sáng chế cho động cơ của mình vào năm 1892. Nó hoạt động khác với động cơ xăng. Thay vì trộn nhiên liệu và không khí rồi đốt cháy bằng tia lửa điện, động cơ diesel nén không khí đến mức đủ nóng để đốt cháy nhiên liệu khi tiếp xúc. Tỷ lệ nén cao hơn nhiều, thường từ 14:1 đến 25:1, so với 8:1 đến 12:1 của động cơ xăng. Điều đó giúp động cơ diesel có mô-men xoắn lớn hơn và tiết kiệm nhiên liệu hơn.

Động cơ này không có bugi đánh lửa. Nó sử dụng kim phun nhiên liệu để phun dầu diesel trực tiếp vào buồng đốt đúng thời điểm. Nhiên liệu bốc cháy nhờ nhiệt độ nén. Quá trình đốt cháy không đồng đều và gây tiếng ồn, đó là lý do tại sao động cơ diesel phát ra tiếng kêu lách cách. Công nghệ phun nhiên liệu common-rail hiện đại và tăng áp đã giúp chúng hoạt động êm hơn, sạch hơn và mạnh mẽ hơn.

Động cơ diesel phổ biến trong xe tải, xe buýt, tàu thủy, xe lửa và thiết bị hạng nặng. Chúng cũng được ưa chuộng trong xe hơi chở khách ở châu Âu, nơi thuế nhiên liệu ưu đãi cho dầu diesel. Tại Hoa Kỳ, xe diesel là một thị trường ngách, một phần do vụ bê bối khí thải của Volkswagen, cho thấy một số xe đã gian lận trong các bài kiểm tra khí thải.

Khí thải diesel chứa oxit nitơ và các hạt bụi mịn, gây hại cho chất lượng không khí. Các hệ thống hiện đại sử dụng khử xúc tác chọn lọc, bộ lọc hạt diesel và tuần hoàn khí thải để làm sạch khí thải. Động cơ hoạt động hiệu quả, nhưng không hoàn toàn sạch nếu không có hệ thống xử lý khí thải sau đốt.