Comme le moteur thermique à allumage commandé, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d'admission et d'échappement, culasse équipée de soupapes commandées par un ou plusieurs arbres à cames.
Le fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute dans de l'air comprimé à un rapport de compression de plus de 1:15 du volume du cylindre, dont la température est portée à quelque 600 °C.
Sitôt le carburant injecté (pulvérisé) dans l'air comprimé, celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il ne soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie.
En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression (sur les anciens Diesel la pression d'injection était de 130 à 200 bars alors que dans les Diesel modernes Common rail elle peut atteindre 2 000 bars ce qui favorise une combustion plus complète et moins polluante), repoussant le piston qui fournit un travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d'axe moteur, voir système bielle-manivelle).
Le cycle Diesel à quatre temps comporte :
* Admission d'air par l'ouverture de la soupape d'admission et la descente du piston.
*Compression de l'air par remontée du piston, la soupape d'admission étant fermé.
*Injection - combustion - détente : peu avant le point mort haut, on introduit, par un injecteur haute pression le carburant pour former un mélange instable avec l'oxygène de l'air comprimé. La combustion rapide qui s'ensuit constitue le temps moteur, les gaz chauds en expansion rapide repoussent le piston, libérant une partie de leur énergie. Celle-ci peut être mesurée par la courbe de puissance moteur.
*Échappement des gaz brûlés par l'ouverture de la soupape d'échappement, poussés par la remontée du piston.
Les seules bougies présentes sur un moteur Diesel sont les bougies de « préchauffage » qui, comme leur nom l'indique, préchauffent les chambres de combustion (ou les préchambres suivant le type de Diesel) afin d'obtenir, lorsque le moteur est froid, une température suffisante pour l'auto-inflammation du carburant. Ce système assure parfois également un "post-chauffage" visant à assurer la stabilité en rotation du moteur et la diminution des émissions polluantes lors des basses températures.