以鲁道夫柴油机命名的柴油机是一种内燃机，其中燃料的点火是由气缸内的空气因机械压缩而升高的温度引起的；因此，柴油发动机是所谓的压燃式发动机（CI发动机）。这与使用空气-燃料混合物的火花塞点火的发动机形成对比，例如汽油发动机（汽油发动机）或燃气发动机（使用天然气或液化石油气等气体燃料）。

柴油发动机的工作原理是仅压缩空气，或空气加上废气中的残余燃烧气体（称为废气再循环 (EGR)）。空气在进气冲程期间被引入腔室，并在压缩冲程期间被压缩。这将气缸内的空气温度升高到如此高的程度，以至于喷射到燃烧室中的雾化柴油点燃。由于燃料在燃烧前喷射到空气中，燃料的分散不均匀；这被称为非均质空气燃料混合物。柴油机产生的扭矩是通过操纵空燃比（λ）来控制的；柴油发动机不是对进气进行节流，而是依靠改变喷射的燃料量，并且空燃比通常很高。

柴油发动机由于其非常高的膨胀比和固有的稀薄燃烧能够通过过量空气散热，因此在任何实际的内燃或外燃发动机中具有最高的热效率（发动机效率）。与非直喷汽油发动机相比，也避免了小的效率损失，因为在气门重叠期间不存在未燃烧的燃料，因此没有燃料直接从进气/喷射进入排气。低速柴油发动机（用于船舶和其他发动机总重量相对不重要的应用）可以达到高达 55% 的有效效率。联合循环燃气轮机（布雷顿和兰金循环）是一种比柴油发动机更高效的内燃机，但由于其质量和尺寸，它不适用于车辆、船舶或飞机。

柴油发动机可以设计为二冲程或四冲程循环。它们最初被用作固定式蒸汽机的更有效替代品。自 1910 年代以来，它们已被用于潜艇和船只。随后用于机车、公共汽车、卡车、重型设备、农业设备和发电厂。在 1930 年代，它们慢慢开始用于一些汽车。自 1970 年代以来，美国大型公路和越野车辆中柴油发动机的使用有所增加。根据 Konrad Reif (2012)，欧盟平均柴油车占新注册汽车的一半。世界上投入使用的最大柴油发动机是 14 缸、二冲程船用柴油发动机；它们各自产生近 100 兆瓦的峰值功率。