内燃ピストン機関に関しては、1807年にフランスでド・リヴァとニエプス兄弟によってそれぞれ独立に試験された。それらは1824年にカルノーによって理論的に前進した[要出典]。1853年から1857年、エウジェーニオ・バルサンティとフェリーチェ・マッテウッチは初の4サイクル機関であった可能性のあるフリーピストン原理を使用した機関を発明し特許を取った[11]。1877年のオットーサイクルは、蒸気機関よりもはるかに高い出力重量比を与えることができ、車や飛行機といった多くの輸送用途に対してよりうまく機能した。
自動車

カール・ベンツによって作られた初めて商業的に成功した自動車は、軽量で強力な機関に対する関心を増大させた。4ストロークオットーサイクルで作動する軽量ガソリン内燃機関が軽量自動車で最も成功を収めているのに対して、より効率的なディーゼル機関はトラックおよびバスで使われている。しかしながら、近年は、ターボディーゼル機関が人気を増してきている。
水平対向ピストン詳細は「水平対向エンジン」を参照

1896年、カール・ベンツは水平対向ピストンを持つ初のエンジンの設計の特許を取得した。ベンツの設計では、対応するピストンが水平の気筒中を移動し、同時に上死点に到達する。ゆえに、個々の運動量に関して互いに自動的に釣り合いが取れる。この設計の機関はその形状と低い姿勢のためしばしばフラットエンジンと呼ばれる。フラットエンジンはフォルクスワーゲン・ビートルや、一部のポルシェ車およびスバル車、多くのBMWおよびホンダのオートバイ、航空機用エンジンで過去あるいは現在用いられている。
進歩

自動車で内燃機関が使用され続けたのは、部分的には機関制御システム（機関管理プロセスと燃料噴射の電子的制御を提供する搭載コンピュータ）の改良によるものである。ターボ過給および過給による強制的空気取り入れは出力と機関効率を向上させてきた。同様の変更はより小さなディーゼル機関にも適用され、ガソリン機関とほぼ同じ出力特性がディーゼル機関でも実現された。これはヨーロッパにおいて小型のディーゼル機関駆動車が人気を博していることから特に明白である。より大型のディーゼル機関はほとんどの工場では利用不可能な特殊機械加工を必要とするものの、今でもトラックや重機でしばしば使用されている。ディーゼル機関はガソリン機関よりも炭化水素とCO2の排出量が少ないが、粒子状物質とNOx汚染はより大きい[12]。ディーゼル機関は比較できるガソリン機関よりも燃料効率が約40%高い[12]。
出力の増大

20世紀の前半は、特にアメリカ製モデル[要説明]で機関出力が増大する傾向を見た。効率を向上させるための気筒内の圧力の増大、機関の大きさの増大、そして機関が仕事を生み出す速度の増大を含む機関の排気量を挙げるための知られている全ての方法が設計変更に組み入れられた。これらの変更によって作り出されるより高い力と圧力は、機関の振動と大きさの問題を生み出し、これによって（それまでの直列形配置を置き換える）V字あるいは対向形に気筒が配置されたより硬く、よりコンパクトな機関が作られることとなった。
燃焼効率

ヨーロッパで好まれる設計方針は、より小さく曲がりくねった道路といった経済的およびその他の制約のために、より小型の車ならびにより小型の機関の燃焼効率を高めることに集中した設計方針に相当するものに傾いた。これにより、初期の40馬力（30 kW）の4気筒設計経済的な機関や80馬力（60 kW）と出力の低い6気筒設計を持つより経済的な機関が生産された。それと比較すると、大型のV-8アメリカ製機関は、250-350馬力、時には400馬力を超える出力であった[要説明][要出典]。
機関形態

初期の自動車の機関の発達によって、今日一般的に使用されているよりもかなり大型の機関が産み出された。それらの機関は1から16気筒設計で、それぞれの相当する全体の大きさ、重量、排気量、ボアを持っていた。4気筒で19-120馬力（14-90 kW）の出力の機関は、大半のモデルによって追随された。複数の3気筒、2ストロークサイクルのモデルも作られたが、ほとんどの機関は直列形の配置を取っていた。複数のV型モデルならびに水平対向2および4気筒も存在した。オーバーヘッド・カムシャフトも頻繁に採用された。より小型の機関は通常空冷式で、乗り物の後方に置かれた。圧縮比は比較的低かった。1970年代と1980年代は、燃費の向上に興味が持たれ、それによって、効率を改善するために気筒あたり5つのバルブを持つより小型のV-6ならびに4気筒配置への回帰が起こった。ブガッティ・ヴェイロン16.4はW型16気筒機関で動作する。W18機関は2つのV型8気筒配置が隣同士に置かれ、同じクランクシャフトを共有するW型を作ることを意味する。

これまで作られた最大の内燃機関はバルチラ-スルザー RTA96-Cである。これは、世界最大のコンテナ船であったエマ・マースクの動力として設計された14気筒、2ストロークターボ過給ディーゼル機関である。この機関の重量は2,300トンであり、102 RPMで動作する時の出力は109,000 bhp (80,080 kW) で、毎時13.7トンの燃料を消費する。
種類

機関は、運動を作り出すために受け取るエネルギー形態と、産み出す運動の種類という2つの基準にしたがって分類することができる。
熱機関詳細は「熱機関」を参照
燃焼機関

燃焼機関は燃焼過程の熱によって駆動する熱機関である。
内燃機関詳細は「内燃機関」を参照4ストローク燃焼機関の4つの段階を示すアニメーション:
1. 吸入
2. 圧縮
3. 燃焼・膨張
4. 排気

内燃機関は、燃焼室内で燃料（一般的に化石燃料）の燃焼が酸化剤（大抵は空気）と共に起こる機関である。内燃機関において、燃焼によって生産される高温・高圧気体の膨張は、ピストンあるいはタービン翼あるいはノズルといった機関の部品に直接的に力を加え、それを移動させることによって、有用な力学的エネルギーを生成する[13][14][15][16]。
外燃機関詳細は「外燃機関」を参照

外燃機関は、壁面あるいは熱交換器を通して外部源の燃焼によって内部の作動流体が熱せられる熱機関である。流体は次に膨張し機関の機構に作用することによって運動と使用可能な仕事を生産する[17]。流体は次に冷却、圧縮、再利用（密閉サイクル）されるかあるいは（一般的ではないが）捨てられ、冷えた流体が注入される（開放サイクル空気機関）。

「燃焼」は、熱を供給するための酸化剤を用いて燃料を燃やすことを意味する。同様（あるいは同一）の形態および動作の機関は、核、太陽光、地熱、燃焼を伴わない発熱反応といったその他の熱源からの熱の供給を利用することができる。しかし、これらは厳密には外燃機関ではなく、外部熱機関に分類される。

作動流体は、スターリング機関では気体、蒸気機関では蒸気、有機ランキンサイクルではn-ペンタンといった有機液体でもよい。流体はどんな組成でもよい。気体がこれまでのところ最も一般的であるが、単相の液体が使われることもある。蒸気機関の場合は、流体は液体と気体の間で相が変化する。
空気呼吸燃焼機関

空気呼吸燃焼機関は、燃料を酸化（燃焼）するために、ロケットのように酸化剤を積むのではなく、大気中の酸素を使う燃焼機関である。理論的には、これはロケットエンジンよりも優れた比推力をもたらすはずである。

連続した気流は空気呼吸機関を通して流れる。この空気は圧縮され、燃料と混合され、点火され、排気ガスとして排出される。

典型的な空気呼吸機関には以下の種類がある。

往復動機関（レシプロエンジン）

蒸気機関

ガスタービン

空気呼吸ジェットエンジン

ターボプロップエンジン


パルス・デトネーション・エンジン

パルスジェット

ラムジェット

スクラムジェット

空気液化サイクルエンジン/Reaction Engines社SABRE