柴油發動機的工作原理是利用壓縮空氣產生高熱，當空氣溫度達到柴油燃點時，噴入霧化柴油使其燃燒膨脹。

燃燒產生的高溫高壓燃氣推動活塞沿氣缸做不等速直線往復運動，通過活塞銷、連桿和曲軸組成的曲柄連桿機構，將活塞的直線運動轉化為曲軸的旋轉運動，從而輸出機械功。

其工作過程分為進氣、壓縮、做功和排氣四個沖程。進氣沖程時，進氣門打開、排氣門關閉，活塞由上止點向下止點運動，吸入新鮮空氣。

壓縮沖程中，活塞從下止點向上止點運動，此時進排氣門均關閉，空氣被壓縮，溫度和壓力升高。

做功沖程里，在壓縮沖程接近終了時噴入柴油，與高溫空氣迅速混合并自燃，產生的高壓推動活塞向下運動做功。

排氣沖程中，活塞從下止點向上止點運動，排氣門打開，將廢氣排出氣缸。

與汽油機相比，柴油發動機的混合氣是壓燃形成，不需要點火系統。而且柴油的粘度大、不易蒸發、自燃溫度低。這使得柴油機具有燃油經濟性好、尾氣中氮氧化合物含量低、轉速低扭矩大等優點。不過，其在平順性和噪音方面曾存在問題，但隨著技術發展已得到很大改善，性能和工況與汽油機越來越接近。