活塞式內燃機自19世紀60年代問世以來，經過不斷改進和發展，已是比較完善的機械。它熱效率高、功率和轉速範圍寬、配套方便、機動性好，所以獲得了廣泛的應用。全世界各種類型的汽車、拖拉機、農業機械、工程機械、小型移動電站和戰車等都以內燃機為動力。海上商船、內河船舶和常規艦艇，以及某些小型飛機也都由內燃機來推進。世界上內燃機的保有量在動力機械中居首位，它在人類活動中佔有非常重要的地位。
活塞式內燃機起源於用火藥爆炸獲取動力，但因火藥燃燒難以控制而未獲成功。1794年，英國人斯特裡特提出從燃料的燃燒中獲取動力，並且第一次提出了燃料與空氣混合的概念。1833年，英國人賴特提出了直接利用燃燒壓力推動活塞作功的設計。
之後人們又提出過各種各樣的內燃機方案，但在十九世紀中葉以前均未付諸實用。直到1860年，法國的勒努瓦模仿蒸汽機的結構，設計製造出第一台實用的煤氣機。這是一種無壓縮、電點火、使用照明煤氣的內燃機。勒努瓦首先在內燃機中採用了彈力活塞環。這台煤氣機的熱效率為4%左右。
英國的巴尼特曾提倡將可燃混合氣在點火之前進行壓縮，隨後又有人著文論述對可燃混合氣進行壓縮的重要作用，並且指出壓縮可以大大提高勒努瓦內燃機的效率。 1862年，法國科學家羅沙對內燃機熱力過程進行理論分析之後，提出提高內燃機效率的要求，這就是最早的四衝程工作迴圈。
1876年，德國發明家奧托運用羅沙的原理，創制成功第一台往復活塞式、單缸、臥式、3.2千瓦(4.4馬力)的四衝程內燃機，仍以煤氣為燃料，採用火焰點火，轉速為156.7轉/分，壓縮比為2.66，熱效率達到14％，運轉平穩。在當時，無論是功率還是熱效率，它都是最高的。
奧托內燃機獲得推廣，性能也在提高。1880年單機功率達到11∼15千瓦(15∼20馬力)，到1893年又提高到150千瓦。由於壓縮比的提高，熱效率也隨之增高，1886年熱效率為15.5%，1897年已高達20∼26％。1881年，英國工程師克拉克研製成功第一台二衝程的煤氣機，並在巴黎博覽會上展出。
隨著石油的開發，比煤氣易於運輸攜帶的汽油和柴油引起了人們的注意，首先獲得試用的是易於揮發的汽油。1883年，德國的戴姆勒創制成功第一台立式汽油機，它的特點是輕型和高速。當時其他內燃機的轉速不超過200轉/分，它卻一躍而達到800轉/分，特別適應交通動輸機械的要求。1885∼1886年，汽油機作為汽車動力運行成功，大大推動了汽車的發展。同時，汽車的發展又促進了汽油機的改進和提高。不久汽油機又用作了小船的動力。
1892年，德國工程師狄塞爾受麵粉廠粉塵爆炸的啟發，設想將吸入氣缸的空氣高度壓縮，使其溫度超過燃料的自燃溫度，再用高壓空氣將燃料吹入氣缸，使之著火燃燒。他首創的壓縮點火式內燃機(柴油機)於1897年研製成功，為內燃機的發展開拓了新途徑。
狄塞爾開始力圖使內燃機實現卡諾迴圈，以求獲得最高的熱效率，但實際上做到的是近似的等壓燃燒，其熱效率達26％。壓縮點火式內燃機的問世，引起了世界機械業的極大興趣，壓縮點火式內燃機也以發明者而命名為狄塞爾引擎。
這種內燃機以後大多用柴油為燃料，故又稱為柴油機。1898年，柴油機首先用於固定式發電機組，1903年用作商船動力，1904年裝於艦艇，1913年第一台以柴油機為動力的內燃機車製成，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以前，人們就曾致力於創造旋轉活塞式的內燃機，但均未獲成功。直到1954年，聯邦德國工程師汪克爾解決了密封問題後，才於 1957年研製出旋轉活塞式發動機，被稱為汪克爾發動機。它具有近似三角形的旋轉活塞，在特定型面的氣缸內作旋轉運動，按奧托迴圈工作。這種發動機功率高、體積小、振動小、運轉平穩、結構簡單、維修方便，但由於它燃料經濟性較差、低速扭矩低、排氣性能不理想，所以還只是在個別型號的轎車上得到採用。
