Двигателят е източник на мощност на автомобила. Повечето автомобилни двигатели са устройства с топлинна мощност, наричани термични двигатели. Термодинамичният двигател трябва да преобразува топлинната енергия, произведена от изгарянето на горивото, в механична енергия чрез промяна на състоянието на работното вещество.
През 1876 г. Николаус А. Ото, германец, изобретява буталния четиритактов бензинов двигател на буталото на базата на двигателя за атмосферно налягане. Поради четирите хода на всмукване, сгъстяване, работа и изгорели газове, топлинната ефективност на двигателя се увеличава от 11% на 14% от двигателя с атмосферно налягане, докато качеството на двигателя се намалява със 70%.
През 1892 г. Рудолф Дизел, немски инженер, изобретява двигател с компресионно запалване (т.е. дизелов двигател), който е вторият голям пробив в историята на двигателите с вътрешно горене. Поради използването на висок коефициент на сгъстяване и коефициент на разширение, топлинната ефективност на други двигатели по това време се увеличава с един път.
През 1926 г. швейцарецът А. Бучи изложи теорията за турбокомпресора, която използва отработената енергия от двигателя за задвижване на компресора и налягане на двигателя. След 1950-те години технологията за турбокомпресори за отработени газове започва постепенно да се прилага в автомобилните двигатели с вътрешно горене, което значително подобрява работата на двигателя и се превръща в третия основен пробив в историята на развитието на двигателите с вътрешно горене.
