Hệ thống phun nhiên liệu phun nhiên liệu vào buồng đốt hoặc cửa nạp của động cơ. Nó thay thế bộ chế hòa khí vì chính xác hơn, hiệu quả hơn và sạch hơn. Máy tính điều khiển các kim phun, điều chỉnh lượng nhiên liệu dựa trên lưu lượng khí, tốc độ động cơ, nhiệt độ và các chỉ số từ cảm biến oxy. Kết quả là tiết kiệm nhiên liệu hơn, lượng khí thải thấp hơn và công suất mạnh hơn.

Có nhiều loại phun nhiên liệu khác nhau. Phun nhiên liệu vào cửa nạp (port fuel injection) phun nhiên liệu vào cửa nạp, nơi nhiên liệu trộn lẫn với không khí trước khi vào xi-lanh. Phun nhiên liệu trực tiếp (direct injection) phun nhiên liệu trực tiếp vào xi-lanh, cho phép kiểm soát chính xác hơn và tỷ lệ nén cao hơn. Phun nhiên liệu diesel kiểu common-rail sử dụng áp suất rất cao để phun sương nhiên liệu diesel, giúp quá trình đốt cháy sạch hơn. Mỗi loại đều có ưu điểm riêng và được sử dụng trong các ứng dụng khác nhau.

Kim phun nhiên liệu là những bộ phận chính xác cao. Chúng có các vòi phun nhỏ xíu phải phun ra một lớp sương mịn. Theo thời gian, cặn bẩn có thể làm tắc nghẽn chúng, gây ra hiện tượng động cơ chạy không ổn định, bỏ lửa và tiêu hao nhiên liệu kém. Phụ gia nhiên liệu và việc vệ sinh chuyên nghiệp có thể giúp ích, nhưng cuối cùng kim phun có thể cần được thay thế. Động cơ phun trực tiếp dễ bị tích tụ cặn carbon trên các van nạp hơn vì nhiên liệu không còn làm sạch chúng nữa.

Hệ thống phun nhiên liệu lần đầu tiên được sử dụng trong động cơ máy bay và xe đua trước khi lan rộng sang các xe sản xuất hàng loạt vào những năm 1980. Đến những năm 1990, nó đã gần như thay thế hoàn toàn bộ chế hòa khí. Đây là một trong những công nghệ chủ chốt giúp động cơ hiện đại trở nên sạch hơn và hiệu quả hơn.