Nguyên lý hoạt động của động cơ diesel là: không khí nén tạo ra nhiệt độ cao và áp suất cao, khiến diesel phun nổ và giãn nở. Áp suất tác động trực tiếp lên piston, đẩy piston thực hiện chuyển động tịnh tiến tốc độ cao dọc theo xi lanh, sau đó đi qua cơ cấu thanh truyền trục khuỷu. Chuyển động tịnh tiến của piston được chuyển thành chuyển động quay của trục khuỷu, do đó tạo ra công cơ học.
Quá trình làm việc của động cơ diesel cũng giống như động cơ xăng. Mỗi chu trình làm việc cũng trải qua bốn kỳ nạp, nén, nổ và xả. Tuy nhiên, vì nhiên liệu sử dụng trong động cơ diesel là diesel nên độ nhớt của nó cao hơn xăng và không dễ bay hơi, nhiệt độ tự bốc cháy của nó thấp hơn xăng. Do đó, phương pháp hình thành và đánh lửa của hỗn hợp dễ cháy khác với động cơ xăng.
