Định lý Carnot phát biểu rằng:

Không một động cơ nhiệt nào hoạt động giữa hai nguồn nhiệt lại có hiệu suất cao hơn động cơ Carnot hoạt động với cùng hai nguồn nhiệt đó.

Người ta cũng chứng minh rằng:

Tất cả các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt có hiệu suất bằng nhau.

và

Tất cả các chu trình không thuận nghịch có hiệu suất nhỏ hơn các chu trình thuận nghịch hoạt động giữa cùng hai nguồn nhiệt.

Định lý Carnot cũng có thể coi là một hệ quả của định luật hai nhiệt động lực học. Mặc dù trên thực tế không thể chế tạo được các động cơ thực sự thuận nghịch, do các quá trình không thuận nghịch như ma sát, định lý Carnot vẫn giúp định hướng việc chế tạo động cơ có hiệu suất cao sao cho càng gần thuận nghịch càng tốt.