Silniki tłokowe dzielą się na dwie grupy. Najpopularniejsze z nich to silniki suwowe (cztero lub dwu), które można spotkać prawie we wszystkich eksploatowanych pojazdach, jeżdżących po drogach. Od mniej więcej 40 lat trwają próby zastosowania w samochodach i motocyklach silników obrotowych, z tłokiem obracającym się w cylindrze, bez układu korbowego. Najbardziej znanym w tej grupy jest silnik Wankla, podobny w budowie do mniej znanego silnika, opatentowanego w 1992 roku przez polskiego konstruktora Jerzego Woźniaka. Ostatnio do łask wrócił wynaleziony 120 lat temu silnik Atkinsona.
Zobacz również: Dlaczego silnik dymi?
Aby silnik spalinowy mógł pracować, musi następować w jego cylindrach spalanie mieszanki paliwowo-powietrznej. W silnikach benzynowych zapłon jest wymuszany przez iskrę elektryczną, powstającą pomiędzy elektrodami świecy zapłonowej pod wpływem krótkotrwałego impulsu napięcia co najmniej kilku tysięcy woltów, generowanego w układzie zapłonowym. W silnikach, zasilanych olejem napędowym lub spożywczym (rzepakowym) zapłon jest efektem wtryśnięcia do cylindra odpowiedniej dawki paliwa.
Aby mogło ono się zapalić, powietrze w cylindrze musi mieć odpowiednią temperaturę. Powstaje ona w wyniku szybkiego sprężenia go w rozgrzanym silniku do ciśnienia w granicach od 1,6 do kilku MPa. Uzyskanie koniecznej do zapłonu temperatury w silniku zimnym jest niemożliwe, dlatego stosuje się jego dodatkowe podgrzewanie w cylindrach przy pomocy tzw. świec żarowych, czyli żarników z drutu oporowego, rozgrzewających się szybko do temperatury kilkuset stopni Celsjusza. Napięcie rozgrzewające świece żarowe jest automatycznie od nich odłączane albo w chwili uruchomienia rozrusznika, albo równocześnie z jego wyłączeniem.
Zobacz też: Jak określić stopień zużycia silnika?
Wszystkie silniki tłokowe dzielą się na dwusuwowe i czterosuwowe
W silnikach czterosuwowych wyróżnia się cztery cykle (suwy):
1 . ssania, kiedy do cylindra zasysane jest powietrze lub mieszanka paliwowo-powietrzna;
2. sprężania, podczas którego ciśnienie w cylindrze rośnie do koniecznego, aby nastąpił zapłon;
3. pracy, kiedy spaliny, powstające w wyniku zapłonu mieszanki, rozprężając się wywierają nacisk na tłok, tworząc w ten sposób siłę poruszającą wszystkie mechanizmy silnika i przenoszoną za pośrednictwem systemu przekładni na koła pojazdu;
4. wydechu, podczas którego silnik jest oczyszczany ze spalin, aby na ich miejsce mógł zassać kolejną porcję powietrza.
W silniku dwusuwowym przy końcu suwu pracy przemieszczający się tłok otwiera okno wylotowe, przez które wydostają się na zewnątrz spaliny, jednocześnie otwierając okno przelotowe, przez które do cylindra dostaje się powietrze lub mieszanka paliwowo-powietrzna po wcześniejszym sprężeniu jej w skrzyni korbowej silnika przez przesuwający się w jej kierunku tłok. Silniki dwusuwowe kilkudziesięciu lat nie są stosowane w samochodach. Coraz rzadziej stosuje się je w motocyklach, motorowerach i skuterach, głównie z uwagi na duże zanieczyszczenie środowiska, jakie one powodują. Pod względem rodzajów chłodzenia silniki dzielą się na, coraz rzadziej spotykane, chłodzone powietrzem i chłodzone cieczą.