Admission :
La soupape d'admission s'ouvre et la rotation du volant entraîne avec la bielle l'abaissement du piston. La dépression produite aspire de l'air dans le cylindre jusqu'à ce que le piston atteigne le point mort bas. La soupape d'admission est alors fermée.
L'étanchéité piston-cylindre est assurée par des segments.
Compression :
Pendant cette phase, la rotation du volant fait remonter le piston dans le cylindre jusqu'au point mort haut.
Cette compression échauffe l'air.
Injection, explosion et détente :
Juste avant que le piston n'arrive au point mort haut on injecte sous haute pression le carburant qui est pulvérisé en fines gouttelettes. Comme la pression et la température dans la chambre de combustion sont élevées, le mélange s'enflamme spontanément (phénomène d'auto-allumage). Après l'explosion, le gaz se détend.
C'est le seul temps moteur du cycle. (1/2 tour moteur tous les 2 tours du volant).
Échappement :
La soupape d'échappement s'ouvre. La rotation du volant entraîne la remontée du piston, ce qui chasse les gaz brûlés vers l'extérieur.
Dans un moteur multi-cylindres, le volant est relié à un vilebrequin qui assure le synchronisme du fonctionnement des pistons des différents cylindres.

Le moteur fonctionne en excès d'air et la puissance est contrôlée par la quantité de carburant injectée.

Depuis sa création ce type de moteur a connu de nombreuses innovations. Un turbocompresseur actionné par les gaz d'échappement permet d'augmenter la pression et la température de l'air admis. Une rampe d'admission commune à tous les injecteurs permet d'obtenir une pression plus élevée d'injection. Les injecteurs sont commandés par des solénoïdes pour obtenir un fonctionnement plus précis...

Du fait de la température plus élevée dans la chambre de combustion (1500 °C), le rendement du moteur Diesel est supérieur à celui d'un moteur à essence : à puissance égale sa consommation est inférieure. Par contre cette température élevée provoque lors de la combustion la formation d'oxydes d'azote (NOx) et de particules fines.
A cause des contraintes mécaniques plus élévées que dans un moteur à essence, ce type de moteur est plus couteux à fabriquer.

Il existe également des moteurs Diesel, souvent de grosse puissance, qui fonctionnent selon un cycle deux temps. (Moteurs de navire alimenté en gaz naturel), cogénérateurs ...)