柴油發動機的優點是扭矩大、經濟性能好。柴油發動機的工作過程與汽油發動機有許多相同的地方，每個工作循環也經歷進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程。但由于柴油機用的燃料是柴油，它的粘度比汽油大，不容易蒸發，而其自燃溫度卻比汽油低，因此，可燃混合氣的形成及點火方式都與汽油機不同。
不同之處主要有，柴油發動機的氣缸中的混合氣是壓燃的，而非點燃的。柴油發動機工作時，進入氣缸的是空氣，氣缸中的空氣壓縮到終點的時候，溫度可以達到500-700℃，壓力可以達到40—50個大氣壓。活塞接近上止點時，供油系統的噴油嘴以極高的壓力在極短的時間內向氣缸燃燒室噴射燃油，柴油形成細微的油粒，與高壓高溫的空氣混合，可燃混合氣自行燃燒，猛烈膨脹產生爆發力，推動活塞下行做功，此時溫度可達1900-2000℃，壓力可達60-100個大氣壓，產生的扭矩很大，所以柴油發動機廣泛的應用于大型柴油設備上。
傳統柴油發動機的特點：熱效率和經濟性較好，柴油機采用壓縮空氣的辦法來提高空氣溫度，使空氣溫度超過柴油的自燃點，這時再噴入柴油、柴油噴霧和空氣混合的同時自己點火燃燒。因此，柴油發動機無需點火系統。同時，柴油機的供油系統也相對簡單，因此柴油發動機的可靠性要比汽油發動機的好。
由于不受爆燃的限制以及柴油自燃的需要，柴油機壓縮比很高。熱效率和經濟性都要好于汽油機，同時在相同功率的情況下，柴油機的扭矩大，最大功率時的轉速低，適合于載貨汽車的使用。
但柴油機由于工作壓力大，要求各有關零件具有較高的結構強度和剛度，所以柴油機比較笨重，體積較大；柴油機的噴油泵與噴嘴制造精度要求高，所以成本較高；另外，柴油機工作粗暴，振動噪聲大；柴油不易蒸發，冬季冷車時起動困難。由于上述特點，以前柴油發動機一般用于大、中型載重貨車上。傳統上，柴油發動機由于比較笨重，升功率指標不如汽油機(轉速較低)，噪聲、振動較高，炭煙與顆粒(PM)排放比較嚴重，所以一直以來很少受到轎車的青睞。特別是小型高速柴油發動機的新發展，一批先進的技術，例如電控直噴、共軌、渦輪增壓、中冷等技術得以在小型柴油發動機上應用，使原來柴油發動機存在的缺點得到了較好的解決，而柴油機在節能與CO2排放方面的優勢，則是包括汽油機在內的所有熱力發動機無法取代的，成為“綠色發動機”。
