Ο κινητήρας είναι η πηγή τροφοδοσίας του αυτοκινήτου. Οι περισσότεροι αυτοκινητοβιομηχανίες είναι συσκευές θερμικής ενέργειας, που αναφέρονται ως θερμικές μηχανές. Ο θερμοδυναμικός κινητήρας μετατρέπει τη θερμική ενέργεια που παράγεται από την καύση καυσίμου σε μηχανική ενέργεια μέσω της αλλαγής κατάστασης της εργασίας της ουσίας.
Το 1876, ο Γερμανός Nicolaus A. Otto εφευρέθηκε τον τετραχρόνιο βενζινοκινητήρα με παλινδρομικό εμβολοφόρο κινητήρα με βάση τη μηχανή ατμοσφαιρικής πίεσης. Λόγω των τεσσάρων διαδρομών εισαγωγής, συμπίεσης, εργασίας και καυσαερίων, η θερμική απόδοση του κινητήρα αυξάνεται από 11% σε 14% του κινητήρα ατμοσφαιρικής πίεσης, ενώ η ποιότητα του κινητήρα μειώνεται κατά 70%.
Το 1892 ο Rudolf Diesel, ένας Γερμανός μηχανικός, εφευρέθηκε μια μηχανή ανάφλεξης με συμπίεση (δηλ. Κινητήρα ντήζελ), η οποία ήταν η δεύτερη σημαντική εξέλιξη στην ιστορία των κινητήρων εσωτερικής καύσης. Λόγω της χρήσης υψηλού λόγου συμπίεσης και λόγου διαστολής, η θερμική απόδοση άλλων κινητήρων την εποχή εκείνη αυξήθηκε κατά μία φορά.
Το 1926, ο Ελβετός Α. Buchi πρότεινε τη θεωρία του υπερσυμπιεστή εξάτμισης, η οποία χρησιμοποιεί την ενέργεια εξάτμισης από τον κινητήρα για να οδηγήσει τον συμπιεστή και να συμπιέσει τον κινητήρα. Μετά από τη δεκαετία του 1950, η τεχνολογία υπερσυμπιεστών καυσαερίων άρχισε να εφαρμόζεται σταδιακά σε κινητήρες εσωτερικής καύσης αυτοκινήτων, γεγονός που βελτίωσε σημαντικά την απόδοση του κινητήρα και έγινε η τρίτη σημαντική ανακάλυψη στο ιστορικό ανάπτυξης των κινητήρων εσωτερικής καύσης.
