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來做功。

它包括進氣、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移動，吸入純空氣。

壓縮沖程中，活塞從下止點向上止點移動，上下氣門關閉，空氣受壓縮，溫度和壓力升高。

在壓縮沖程接近終了時，柴油經噴油泵提高油壓，通過噴油器噴入氣缸，與高溫壓縮空氣迅速混合形成可燃混合氣。

由于柴油機壓縮比高，壓縮終了時氣缸內空氣壓力和溫度都很高，遠超柴油自燃溫度，所以柴油能立即自行發火燃燒。

此時，氣缸內氣壓急速上升，溫度也大幅升高，推動活塞向下運動，帶動曲軸旋轉做功。

做功沖程結束后，進入排氣沖程，排氣門打開，進氣門關閉，活塞從下止點向上止點運動，將廢氣排出氣缸。

與汽油機不同，柴油機不需要點火系統，混合氣是壓燃的。而且，柴油發動機通過改變汽缸內柴油和空氣的比例來調整功率。