Động cơ sử dụng hỗn hợp thuốc súng và không khí của Christiaan Huygens (Động cơ Huyghens).

Nhà vật lý người Pháp Jean de Hautefeuille đề xuất thiết kế một động cơ đốt trong dùng để bơm nước vào năm 1678.[3][4] Tuy nhiên, người được xem phát minh động cơ đốt trong đầu tiên là Christiaan Huygens, nhà khoa học người Hà Lan.[5] Vào năm 1678 hoặc 1679 (có tài liệu cho rằng năm 1673[6]), Huygens sử dụng một ống hình trụ lớn với bề mặt nhẵn bóng bên trong làm xi lanh và có piston di chuyển dọc trục xi lanh. Piston nối với một sợi dây và ròng rọc để nâng vật nặng. Bên dưới ống trụ là buồng đốt dùng để đốt nổ thuốc súng. Khi thuốc súng nổ, không khí giãn nở thể tích và đẩy piston. Sau khi nổ xong, không khí nguội lại, giảm thể tích, tạo chân không bên trong ống trụ, di chuyển piston về vị trí ban đầu, đồng thời kéo dây nâng vật nặng, thực hiện quá trình sinh công.[7] "Động cơ Huygens" (Huygens engine) được cho rằng, chỉ với 1 dram (tương đương 1/16 ounce hoặc 1,77 gram) thuốc súng, sử dụng trong ống trụ cao 7–8 feet (2,1–2,4 m), đường kính 15–16 in (khoảng 38–41 cm), có thể tạo ra công đủ nâng khối lượng của 8 thiếu niên (tương đương 540 kg).[8]

Đến năm 1791, nhà khoa học người Anh John Barber đăng ký bằng sáng chế cho động cơ tuabin khí đầu tiên.[9] Trong động cơ tuabin của Barber, nhiên liệu như than, dầu đốt, hoặc gỗ được gia nhiệt, hòa trộn với không khí, nén và đốt cháy. Sản phẩm khí cháy có áp suất cao sẽ làm quay cánh quạt của tuabin, làm sinh công.[10][11] Năm 1794, Thomas Mead và Robert Street, hai kỹ sư người Anh, cùng đồng thời đăng ký bằng phát minh cho động cơ đốt trong sử dụng khí cháy. Thomas Mead sử dụng hỗn hợp khí khi nổ trong buồng đốt sẽ đẩy piston lên; sau khi quá trình cháy kết thúc, piston sẽ di chuyển xuống nhờ vào sức nặng của piston và áp suất chân không.[12] Còn Robert Street sử dụng nhiên liệu lỏng (dầu hỏa hoặc nhựa thông) bay hơi để tạo hỗn hợp khí cháy.[9][13] Nhựa thông hoặc dầu hỏa được phun lên đáy của xi lanh đang được đốt nóng, khiến nhiên liệu ở thể lỏng hóa hơi thành hỗn hợp khí. Hỗn hợp này được kích nổ bằng ngọn lửa. Quá trình cháy–nổ của hỗn hợp khí làm giãn nở thể tích trong xi lanh và làm piston chuyển động, thực hiện công.[3][13]

Năm 1798, John Stevens, nhà phát minh người Mỹ, đã thiết kế động cơ đốt trong sử dụng cồn (ancol) làm nhiên liệu cháy.[14] Năm 1801, Philippe Lebon, một kỹ sư người Pháp, đã đăng ký phát minh cho động cơ khí[lower-alpha 1] (hỗn hợp khí ga được nén trong buồng đốt và kích nổ).[15][16] Năm 1807, anh em kỹ sư người Pháp, Nicéphore Niépce (cũng là người phát minh ra kỹ thuật nhiếp ảnh) và Claude Niépce, đã chạy thử mẫu động cơ đốt trong mang tên Pyréolophore. Hai ông đã gắn động cơ Pyréolophore để điều khiển tàu thủy chạy trên sông Saône, Pháp. Cùng năm đó, kỹ sư người Thụy Sĩ François Isaac de Rivaz phát minh động cơ đốt trong dùng khí hydro làm nhiên liệu và kích nổ bằng tia lửa điện.[9][17] Ý tưởng sử dụng khí hydro làm nhiên liệu cho động cơ đốt trong cũng được nghiên cứu độc lập bởi kỹ sư người Anh William Cecil vào năm 1820.[14][18][16] Năm 1823, Samuel Brown đăng ký phát minh động cơ chân không đốt bằng khí[lower-alpha 2] được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp.[16] Động cơ của Brown được sử dụng trong ô tô vào năm 1824, vận hành tàu chạy trên sông Thames vào năm 1827, và bơm nước ở kênh đào Croydon, phía nam London, vào năm 1832.[19] Động cơ đốt trong đầu tiên có kỳ nén diễn ra trước kỳ nổ được phát triển lần đầu tiên bởi William Barnett, một kỹ sư người Anh, vào năm 1838.[20][21] Năm 1854, hai nhà phát minh người Ý, Eugenio Barsanti và Felice Matteucci, phát minh động cơ piston tự do.[lower-alpha 3][22]

Động cơ Lenoir chạy bằng khí đốt, do kỹ sư người Bỉ Étienne Lenoir phát minh.

Năm 1860, Jean Joseph Étienne Lenoir, một kỹ sư người Bỉ, đã phát minh động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng khí đốt, công suất 6 HP, hiệu suất 5%.[14][23] Đây được xem là động cơ đốt trong có hiệu quả thực tế đầu tiên.[24] Động cơ đốt trong của Lenoir là loại động cơ hai kỳ, một xi lanh, tác động kép[lower-alpha 4], không có kỳ nén (hỗn hợp khí không được nén trước khi kích nổ), hỗn hợp khí được kích nổ ở khoảng 1/3 hành trình di chuyển của piston.[25][26] Ưu điểm của thiết kế này là tạo ra loại động cơ vận hành nhanh hơn, ít ồn hơn, và hiệu quả kinh tế cao hơn động cơ hơi nước.[3] Do vậy, động cơ Lenoir được ưa chuộng, với khoảng 400[25] đến 500[26] bộ động cơ được bán ra thời điểm đó. Tuy nhiên, động cơ Lenoir có hiệu suất không cao do không có kỳ nén[25] nên chủ yếu chỉ được dùng cho những động cơ tĩnh tại.[23]

Năm 1872, George Brayton, một kỹ sư người Mỹ, đã phát minh động cơ đốt trong sử dụng dầu hỏa làm nhiên liệu. Động cơ Brayton cấu tạo gồm hai xi lanh piston tịnh tiến, một xi lanh thực hiện kỳ nén và xi lanh còn lại thực hiện kỳ giãn nở (sinh công). Hỗn hợp không khí và khí đốt được kích nổ bằng ngọn lửa mồi, hỗn hợp cháy được bơm từ xi lanh nén qua xi lanh nổ để thực hiện quá trình sinh công ở điều kiện đẳng áp.[23] Hiệu suất hoạt động của động cơ Brayton không cao do phần lớn công sinh ra trong xi lanh kỳ nổ được dùng để vận hành xi lanh kỳ nén.[25] Tuy vậy, phát minh của Brayton có ý nghĩa quan trọng vì, nhờ sử dụng nhiên liệu lỏng (khác với nhiên liệu khí như động cơ Lenoir hoạt động tĩnh tại), động cơ đốt trong của Brayton có thể được ứng dụng để vận hành trên xe ô tô.[27] Chu trình Brayton ngày nay được ứng dụng trong những tuabin khí.[23] Năm 1874, Siegfried Marcus, một nhà phát minh người Đức, được xem là người thiết kế xe ô tô sử dụng động cơ bốn kỳ đầu tiên. Động cơ của Marcus sử dụng kích nổ điện, phun hòa khí, và thiết bị tiết lưu ("bướm ga"[lower-alpha 5]).[28] Động cơ Marcus, hiện đang được trưng bày tại Bảo tàng Kỹ thuật Công nghiệp và Thương mại tại Vienna, được xem là mẫu xe động cơ xăng cổ nhất còn tồn tại đến ngày nay.[29]

Mẫu thiết kế động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên – Động cơ Otto – được sản xuất tại Anh vào khoảng năm 1887.

Dựa trên mẫu thiết kế động cơ của Lenoir, Nikolaus Otto, một kỹ sư người Đức, đã phát minh động cơ đốt trong bốn kỳ đầu tiên vào năm 1876 (Chu trình Otto).[30][28] Động cơ chạy bằng khí than của Otto không chỉ giảm tiếng ồn hơn, mà còn hiệu quả cao hơn gấp 3 lần so với động cơ của Lenoir.[31] Năm 1879, Karl Benz chế tạo thành công động cơ đốt trong hai kỳ chạy bằng xăng.[32] Năm 1882, James Atkinson phát minh ra động cơ đốt trong hoạt động theo chu trình Atkinson.[32] Năm 1885, Gottlieb Daimler, một kỹ sư người Đức, đăng ký bằng sáng chế cho động cơ bốn kỳ chạy bằng xăng đầu tiên.[33] Năm 1889, Daimler cùng một kỹ sư người Đức khác là Wilhelm Maybach đã cho ra mắt động cơ chữ V hai xi lanh[lower-alpha 6] đầu tiên tại Paris, Pháp.[34] Năm 1892, Rudolf Diesel phát triển thành công động cơ kích nổ nhờ quá trình nén hỗn hợp nhiên liệu (Động cơ Diesel).[35] Động cơ Diesel vận hành ở tốc độ 170 RPM, có công suất 18 HP và hiệu suất 27% – hiệu suất cao hơn những động cơ hơi nước và động cơ kích nổ tia lửa điện cùng thời điểm đó.[23] Năm 1926, Robert Goddard, một kỹ sư người Mỹ, chế tạo tên lửa vận hành bằng nhiên liệu lỏng đầu tiên.[36]