Về nguyên lý cơ học, động cơ diesel hoạt động đơn giản hơn động cơ xăng. Cả hai cùng sử dụng xi-lanh, piston, truyền năng lượng thông qua trục khuỷu và chia thành hai loại 2 thì và 4 thì. Động cơ 2 thì thường sử dụng đa dạng từ xe loại nhỏ, máy xén cỏ đến tàu chở hàng. Trong khi đó, động cơ 4 thì được sử dụng cho xe hạng trung cần hiệu suất nhiên liệu tối đa như xe du lịch.

Sự khác biệt duy nhất giữa động cơ xăng và động cơ diesel là cơ chế đánh lửa. Trong khi động cơ xăng cần có thiết bị đánh lửa (bugi) để kích hoạt quá trình cháy nổ của hỗn hợp khí nén xăng - không khí thì động cơ diesel lại hoạt động theo nguyên lý tự nổ. Khi hòa khí diesel - không khí được nén ở áp suất cao (tỷ số nén lớn), nhiệt sinh ra sẽ kích hoạt quá trình tự cháy nổ. Chính đặc điểm này làm động cơ diesel có hiệu suất sử dụng nhiên liệu cao.

Tỷ số nén của động cơ diesel vào khoảng 15-25, cao hơn nhiều so với động cơ xăng (từ 9 đến 13). Chính vì vậy, công nghệ và vật liệu chế tạo động cơ diesel cao hơn để đảm bảo độ bền và giảm thiểu độ mài mòn. Nhược điểm nữa của động cơ diesel là nhiên liệu. Do nằm trong phân đoạn nặng hơn xăng nên khả năng bay hơi của diesel kém, do đó khó khởi động. Cũng vì diesel chứa các phân tử lớn hơn xăng nên khả năng đốt cháy hoàn toàn thấp, nên hay sinh ra bụi than và khí độc.