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在蒸汽机不断改进和发展的历程中，人们也越来越深刻地认识到蒸汽机的不足是因为燃料在外部燃烧，所以有人开始研究把外燃改为内燃，让燃料在内部燃烧，膨胀产生的高压气体直接推动活塞做功，这就是内燃机。
1794年，英国人斯特里特提出从燃料的燃烧中获取动力，并且第一次提出了燃料与空气混合的概念。1801年，法国人勒本提出了煤气机的原理。1824年，法国热力工程师萨迪·卡诺在《关于火力动力及发生的内燃机考察》一书中，揭示了“卡诺循环”学说。1833年，英国人莱特提出了直接利用燃烧压力推动活塞做功的设计。之后，人们又提出过各种各样的内燃机方案，但在19世纪中叶以前均未付诸实用。直到1860年，法国人艾提力·雷诺模仿蒸汽机的结构，设计制造了第一台实用煤气机。1861年，法国铁路工程师罗夏发表了进气、压缩、做功、排气的四冲程发动机论文，这一理论后来成为内燃机发展的基础。
1866年，德国工程师尼古拉斯·奥托偶尔在报纸上看到了一篇关于内燃机的报道，下决心对内燃机进行改进，并研究了罗夏的四冲程发动机的论文，成功地研制出动力史上具有划时代意义的立式四冲程内燃机。
1876年，奥托又研制出第一台实用活塞式四冲程煤气内燃机，这台单缸卧式功率为2.9kW的煤气机，压缩比为2.5∶1，转速为250r/min。这台内燃机被称为奥托内燃机。奥托于1877年8月4日获得专利，后来人们一直将四冲程循环称为奥托循环。奥托以内燃机奠基人被载入史册，其发明为汽车的发明奠定了基础。
奥托研制的煤气机体积小，转动平稳，但有个最大的缺点是在工作时需要一个较大的煤气发生炉给它提供煤气，因此给使用带来了不便。它在重量、体积等方面并不比蒸汽机优越，所以这种发动机未能得到广泛的使用。
1885年，德国人戈特利布·戴姆勒按奥托煤气机原理研制出定容内燃机，利用他发明的表面气化器形成的汽油油雾为燃料，转速可达800r/min，压缩比可达3∶1。1886年，德国人卡尔·本茨又发明了混合器和电点火装置，使汽油机更加完善。
1897年，德国人鲁道夫·狄塞尔成功研制出了第一台柴油机，因此柴油机也称为狄塞尔发动机。柴油机从设想到实现经历了20年，是冒着生命危险在一片指责声中研制出来的。狄塞尔虽然没有看到柴油机用于汽车的那一天，但是他亲眼看到自己的发明用于造船业并以绝对的优势取代了蒸汽机。