活塞式內燃機自60年代問世以來，經過不斷的改進和發展，已經是壹種比較完善的機器。因其熱效率高、功率和轉速範圍大、匹配方便、機動性好而得到廣泛應用。世界各地的各種汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站、戰車都是以內燃機為動力的。海洋商船、內河船舶和常規船舶，以及壹些小型飛機也是由內燃機推進的。內燃機的數量居世界動力機械之首，在人類活動中占有非常重要的地位。
活塞式內燃機起源於火藥爆炸獲得動力，但由於火藥燃燒難以控制，並不成功。1794年，英國人斯特裏特(streeter)提出從燃料的燃燒中獲取動力，並首次提出燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人萊特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞做功的設計。
之後人們提出了各種內燃機方案，但直到十九世紀中葉才付諸實施。直到1860年，法國人勒諾伊爾模仿蒸汽機的結構，設計制造了第壹臺實用的燃氣發動機。這是壹種無壓縮、電點火、點燃煤氣的內燃機。Lenoir首先在內燃機中采用了彈性活塞環。這種燃氣機的熱效率約為4%。
英國的Barnett曾主張在點火前壓縮可燃混合氣，隨後有人撰文論述了壓縮可燃混合氣的重要作用，並指出壓縮可以大大提高lenoir內燃機的效率。1862年，法國科學家羅莎從理論上分析了內燃機的熱力過程後，提出了提高內燃機效率的要求，這就是最早的四沖程工作循環。
1876年，德國發明家奧托成功制造出第壹臺往復活塞式、單缸、臥式、3.2 kW (4.4 HP)四沖程內燃機，仍以氣體為燃料，采用火焰點火，轉速156.7 rpm，壓縮比2.66，熱效率14。當時無論是功率還是熱效率都是最高的。
奧托內燃機已經普及，性能也在提高。1880年單機功率達到11 ~ 15 kW(15 ~ 20hp)，1893年增加到150 kW。隨著壓縮比的增加，熱效率也增加。1886中熱效率為15.5%，1897中已達到20 ~ 26%。1881年，英國工程師克拉克成功研制出第壹臺二沖程燃氣發動機，並在巴黎博覽會上展出。
隨著石油的發展，比氣體更容易運輸和攜帶的汽油和柴油受到了人們的關註。首先，易揮發的汽油已經試用過了。1883年，德國戴姆勒公司成功制造了第壹臺立式汽油發動機，其特點是重量輕、速度快。當時其他內燃機的轉速都不超過200轉，卻跳到了800轉，特別適合運輸機械的要求。1885 ~ 1886年間，汽油發動機作為汽車動力成功運轉，極大地促進了汽車的發展。同時，汽車的發展促進了汽油機的改進和提高。不久，汽油發動機又被用作船的動力。
1892年，德國工程師狄塞爾受面粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣進行高度壓縮，使其溫度超過燃油的自燃溫度，然後用高壓空氣將燃油吹入氣缸，使其點燃。他的第壹臺壓燃式內燃機(柴油機)於1897年研制成功，為內燃機的發展開辟了壹條新路。
柴油機開始嘗試讓內燃機實現卡諾循環，以獲得最高的熱效率，但實際上卻實現了熱效率26%的近似等壓燃燒。壓燃式內燃機的問世引起了世界機械工業的極大興趣，壓燃式內燃機也以發明者的名字命名為柴油機。
這種內燃機將來多以柴油為燃料，所以也叫柴油機。1898年柴油機首次用於固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年安裝在船舶上，1913年制成第壹臺柴油機驅動的內燃機車，1920年左右開始用於汽車和農業機械。
早在往復活塞式內燃機誕生之前，人們就試圖制造旋轉活塞式內燃機，但都失敗了。直到1954年，聯邦德國工程師汪克爾解決了密封問題，才在1957年研制出旋轉活塞發動機，稱為汪克爾發動機。它有壹個近似三角形的旋轉活塞，在特定輪廓的氣缸內旋轉，按照奧托循環工作。這種發動機具有功率高、體積小、振動小、運行穩定、結構簡單、維修方便等優點。但由於其燃油經濟性差，低速扭矩低，排氣性能不理想，僅在個別車型上使用。