四沖程柴油機工作原理汽油機一樣，每個工作循環也是由進氣沖程、壓縮沖程、做功沖程和排氣沖程組成。由于柴油與汽油相比，自燃溫度低、黏度大不易蒸發，因而柴油機采用壓縮終點壓燃著火（壓燃式點火），而汽油機是火花塞點燃。
氣缸體和曲軸箱通常鑄成一體，統稱為氣缸體，它是發動機的外殼及裝配基礎，一般采用優質合金鑄鐵或鋁合金制成。氣缸體內呈圓柱形的空間稱為氣缸，氣缸表面稱為氣缸壁。氣缸是氣體交換、燃燒的場所，也是活塞運動的軌道。為保證活塞與氣缸的密封及減少磨損，氣缸壁應具有有效較高的加工精度和較低的表面粗糙度。為了使氣缸在工作時的熱量得到散發，在氣缸體、氣缸套機體之間制有能夠容納冷卻液的夾層空腔，稱為水套。
氣缸墊俗稱氣缸床，安裝在氣缸蓋與氣缸體之間，其作用是密封氣缸體與氣缸蓋的結合平面，以防止漏氣、漏冷卻液及漏油。氣缸墊多采用石棉板材料制成，有些用石棉板兩面包銅皮或鐵皮制成，有些用中間鋼片兩面貼適合應性好的乳膠石棉板制成。燃燒室孔采用雙層或單層金屬包邊，以防燃燒氣體沖壞石棉層。
氣門挺桿的作用是將凸輪的推力傳給推桿或氣門。挺桿的類型有菌型、筒形非液壓式、筒形液壓式等，筒形液壓式等，筒形液壓式挺桿無氣門間隙，可以減少發動機的噪聲，但精度要求嚴、成本高，多應用于高級轎車發動機。
氣門推桿的作用是將挺桿的推力傳給搖臂，驅動氣門開啟。推桿的上、下端頭經熱處理并拋磨，以提高耐磨性；桿身有實心和空心兩種。