Trong khoảng thời gian 1878/1879 Benz đã phát triển một động cơ đốt trong hai thì và sau đó là một động cơ bốn thì loại nhẹ. Ông cũng đã phát triển hay cải tiến nhiều bộ phận khác của xe cơ giới như bộ truyền động vi sai, trục lái nối khuỷu, bộ phận đánh lửa (bu gi), bộ chế hòa khí, bộ làm mát bằng nước và hộp số.

Năm 1885 ông chế tạo chiếc "ô tô" đầu tiên, một chiếc xe 3 bánh với một động cơ đốt trong và bộ phận đánh lửa bằng điện chạy lần đầu trong Mannheim (Đức) vào năm 1886. Chiếc xe có 0,8 mã lực (0,6 kW) và đạt vận tốc nhanh nhất là 16 km/h.

Ngày 29 tháng 1 năm 1886 Carl Friedirch Benz đã viết lịch sử công nghiệp bằng cách đăng ký bằng phát minh số 37435 cho chiếc xe này tại Cơ quan quản lý bằng phát minh Đế chế (tiếng Đức: Reichspatentamt). Carl Benz đã bị nhiều chế giễu từ giới công khai vì công việc làm của ông. Chiếc xe này đã được chế giễu như là "cỗ xe không ngựa". Nhưng mặt khác tờ báo "Generalanzeiger der Stadt Mannheim" trong tháng 9 năm 1886 đã bình luận là "chiếc xe này sẽ có một tương lai tốt đẹp", vì nó "có thể sử dụng không phức tạp lắm và vì nó sẽ trở thành phương tiện chuyên chở rẻ tiền nhất với vận tốc nhanh cho các nhà doanh thương phải đi lại và cũng có thể cho cả khách du lịch". Carl Benz cũng nhận thấy tương tự như vậy và liên tục cải tiến xe của ông. Năm 1888 vợ của ông, Bertha Benz, thực hiện chuyến đi xa đầu tiên từ Mannheim về Pforzheim (Đức).

Năm 1888 nhờ tham gia vào cuộc "Triển lãm máy làm việc và máy năng lực" tại München (Đức) loại xe mới này ("thay thế hoàn toàn xe ngựa!") bắt đầu được biết đến bên ngoài nước Đức, thế nhưng những người có thể là khách hàng vẫn còn hoài nghi. Việc phổ biến ô tô bắt đầu tại Pháp, nước có hệ thống đường bộ tốt nhất thời bấy giờ. Các kiểu xe mới của Carl Benz được trình bày trong cuộc Triển lãm quốc tế tại Paris vào năm 1889.