Trong lịch sử chế tạo động cơ đã có rất nhiều phương án được phác thảo và hiện thực nhưng lại không phù hợp với các cách phân loại dưới đây, ví dụ như động cơ Otto với bộ phun nhiên liệu trực tiếp hay các loại động cơ hoạt động theo nguyên tắc của động cơ diesel nhưng lại có bộ phận đánh lửa. Các phương pháp chế tạo lại có thể được kết hợp rất đa dạng, ví dụ như động cơ có dung tích nhỏ với piston tròn và điều khiển qua khe hở theo nguyên tắc Otto (động cơ Wankel) hay động cơ diesel hai kỳ có dung tích lớn với bộ điều khiển bằng van (động cơ diesel của tàu thuỷ). Phần phân loại tổng quát này không liệt kê những trường hợp đặc biệt nhằm để tránh sự khó hiểu.

Theo công dụng

• Động cơ tĩnh tại: Dùng vận hành các thiết bị như máy phát điện (công suất lên đến 25 MW).[37]
• Động cơ ô tô.
• Động cơ máy bay: Bao gồm động cơ đốt trong kiểu piston cho máy bay cánh quạt và động cơ phản lực dùng cho máy bay phản lực.
• Động cơ tàu thủy.
• Động cơ xe lửa (đầu máy xe lửa).[38][39]
• Động cơ một số thiết bị và dụng cụ như máy cày, máy cắt cỏ, máy trộn bê tông.[40]

Theo chu trình làm việc

• Động cơ một kỳ: Loại động cơ này thực chất là kiểu động cơ bốn kỳ nhưng được thiết kế lại. Động cơ 1 kỳ gồm bốn buồng đốt với các piston di chuyển cùng lúc, do vậy, tuy có bốn kỳ, nhưng mỗi kỳ đều là kỳ sinh công (power stroke).[41] Một kiểu thiết kế khác của động cơ 1 kỳ sử dụng một khối piston có chứa khoang nổ và khoang nén.[42]
• Động cơ hai kỳ: Chu trình làm việc được hoàn thành trong 2 hành trình chuyển động qua lại của piston, tương ứng với một vòng quay trục khuỷu. Trong động cơ hai kỳ chỉ diễn ra hai quá trình nén và nổ (sinh công).[43][44] Việc thay đổi khí mở tức là hai hỗn hợp khí–nhiên liệu mới và khí thải bị trộn lẫn với nhau một phần.
• Động cơ ba kỳ: Động cơ này có cấu tạo gồm hai piston di chuyển tịnh tiến được đặt trong cùng một xi lanh; hai piston được gắn trên cùng một trục khuỷu. Chu trình cháy diễn ra trong một vòng quay trục khuỷu. Khi trục khuỷu thực hiện một vòng quay, hai piston sẽ di chuyển đến gần nhau rồi xa ra, về hai đầu của xi lanh.[45]
• Động cơ bốn kỳ: Chu trình làm việc được hoàn thành trong 4 hành trình chuyển động qua lại của piston, tương ứng với 2 vòng quay trục khuỷu.[43] Việc thay đổi khí được đóng kín có nghĩa là hỗn hợp khí – nhiên liệu mới và khí thải được tách hoàn toàn ra khỏi nhau. Trong thực tế hai khí này tiếp xúc với nhau trong một khoảng thời gian ngắn.
• Động cơ sáu kỳ: Loại động cơ này có thêm hành trình phụ để nén và đốt cháy lại khí xả. Do vậy, động cơ 6 kỳ có hai kỳ sinh công – tức là 1/3 trong tổng số kỳ (hành trình chuyển động của piston) tạo ra công hữu ích, nhiều hơn khi so với động cơ bốn kỳ chỉ có 1/4 trong tổng số kỳ là sinh công. Đối với cùng dung tích xi lanh, nếu động cơ có tỉ lệ kỳ sinh công càng cao, sẽ có công suất lớn hơn. Ưu điểm của động cơ 6 kỳ là giúp tận dụng nhiệt thải của kỳ sinh công đầu tiên; lượng nhiệt này có thể dùng để sinh hơi nước giúp làm mát động cơ và đẩy piston. Do vậy, loại động cơ này có hiệu năng cao hơn, đồng thời giảm bớt khí thải ô nhiễm. Động cơ 6 kỳ có thể tiết kiệm nhiên liệu lên đến 40% so với động cơ bốn kỳ.[46][47]

Theo quy trình nhiệt động lực học

Tùy vào quá trình cấp nhiệt và tỷ số nén, các loại động cơ đốt trong có thể chia thành hai nhóm chính như sau:[48][49][50]

• Động cơ Otto: Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng tích[lower-alpha 7] (chu trình Otto), có tỷ số nén thấp (ε = 8–12)[51], như động cơ sử dụng nhiên liệu xăng, cồn nhiên liệu, hoặc ga.[52]
• Động cơ Diesel: Động cơ làm việc theo quá trình cấp nhiệt đẳng áp[lower-alpha 8] (chu trình Diesel), có tỷ số nén cao (ε = 12–24)[51], như động cơ diesel, động cơ sử dụng bột than.[53][54]

Theo nhiên liệu sử dụng

• Động cơ xăng.
• Động cơ diesel.
• Động cơ ga hay động cơ khí đốt.
• Động cơ sử dụng loại nhiên liệu khác như khí hóa lỏng (LPG), cồn (metanol, etanol), khí hydro.[55]

Theo phương pháp nạp nhiên liệu

• Động cơ không tăng áp[lower-alpha 9]: Không khí không được nén trước khi nạp vào động cơ.
• Động cơ tăng áp[lower-alpha 10]: Loại động cơ này tận dụng khí xả từ động cơ để quay tuabin; sau đó, tuabin làm quay trục máy nén khí mới đi vào động cơ.
• Động cơ siêu nạp[lower-alpha 11]: Loại động cơ này sử dụng một máy nén khí làm tăng áp suất dòng khí nạp, đi qua cổ hút, vào buồng cháy của động cơ, được vận hành nhờ lực truyền động của trục khuỷu động cơ thông qua dây đai.[55]

Theo cách chuyển động của piston

• Động cơ piston đẩy (hay kết hợp với thanh truyền và trục khuỷu)
• Động cơ Wankel (Động cơ piston tròn)
• Động cơ piston quay
• Động cơ piston tự do

Theo phương pháp tạo hòa khí

Theo phương pháp tạo hỗn hợp đốt hay còn gọi là hòa khí (hỗn hợp khí và nhiên liệu để đốt cháy trong động cơ), động cơ đốt trong được chia thành các loại sau:

• Động cơ tạo hòa khí bên ngoài: Hỗn hợp nhiên liệu và không khí được tạo thành bên ngoài xi lanh nhờ bộ chế hòa khí (carburetor), gọi là hỗn hợp đồng thể,[56] sau đó được đưa vào xi lanh và đốt cháy bằng tia lửa điện (bugi). Các loại động cơ loại này bao gồm động cơ xăng, động cơ ga.
• Động cơ tạo hòa khí bên trong: Hỗn hợp hơi nhiên liệu và không khí được tạo thành bên trong xi lanh nhờ bơm cao áp và vòi phun, gọi là hỗn hợp dị thể.[56] Hỗn hợp được phun vào xi lanh gần điểm chết trên (ĐCT); sau đó, hỗn hợp này tự bốc cháy do hỗn hợp bị nén ở nhiệt độ cao. Các loại động cơ loại này bao gồm động cơ diesel, động cơ phun xăng điện tử.

Theo phương pháp đốt

• Hỗn hợp khí và nhiên liệu được đốt bằng bộ phận đánh lửa (bugi) trong các động cơ Otto, tốt nhất là ngay trước điểm chết trên.
• Trong các động cơ diesel hỗn hợp đốt bằng cách tự bốc cháy. Không khí được nén rất mạnh và ngay trước điểm chết trên, nhiên liệu được phun vào. Vì ở nhiệt độ rất cao nên nhiên liệu tự bốc cháy.

Theo phương pháp làm mát

• Động cơ làm mát bằng nước: Loại động cơ này dùng nước hoặc hỗn hợp nước–etylen glycol bơm tuần hoàn trong những khoang rỗng (gọi là áo nước) bao quanh xi lanh. Nhiệt được truyền qua thành xi lanh đến áo nước và cuối cùng được truyền cho nước. Nước được bơm đến bộ phận két nước[lower-alpha 12] để trao đổi nhiệt đối lưu với không khí bên ngoài.[57] Hỗn hợp dung dịch làm mát nước–etylen glycol có thể được thêm chất chống ăn mòn và chất chống xâm thực khí. Etylen glycol giúp hạ nhiệt độ dung dịch xuống −50 °C.[58]
• Động cơ làm mát bằng không khí: Loại động cơ này dùng không khí trao đổi nhiệt đối lưu để làm mát động cơ.[57] Động cơ làm mát bằng không khí có thiết kế dạng cánh tản nhiệt hoặc gờ nổi để tăng bề mặt trao đổi nhiệt.[59]
• Động cơ làm mát bằng dầu nhờn (như động cơ Elsbett).[60] Những động cơ làm mát bằng dầu thường là loại có công suất thấp. Năng suất giải nhiệt của phương pháp làm mát này vốn không cao do dầu bôi trơn có tính giải nhiệt thấp.[61]

Theo hình dáng động cơ và số xi lanh

Tuỳ theo số lượng xi lanh động cơ Otto và động cơ diesel có thể được chế tạo thành:

• Động cơ 1 xi lanh.
• Động cơ thẳng hàng 2, 3, 4, 5, 6 hay 8 xi lanh (động cơ I2, I3, I4, I5, I6 hay I8).
• Động cơ chữ V 2, 4, 6, 8, 10, 12, 16xi lanh (động cơ V2, V4, V6, V8, V10, V12 hay V16).
• Động cơ VR 6 hay 8 xi lanh.
• Động cơ chữ W 3, 8, 12 hay 16 xi lanh.
• Động cơ Boxer[lower-alpha 13] hay còn gọi là động cơ phẳng, là kiểu động cơ có các piston đặt trên mặt phẳng nằm ngang và đối đỉnh nhau.[62]
• Động cơ toả tròn[lower-alpha 14] 5, 6, 7, 8, 9 hay 12 xi lanh.
• Động cơ piston đối[lower-alpha 15].

Theo số trục khuỷu

• Động cơ 1 trục khuỷu.
• Động cơ 2 trục khuỷu.
• Động cơ 3 trục khuỷu trở lên.
• Động cơ không có trục khuỷu (như động cơ piston quay Wankel).

Theo thiết kế – vị trí van

Đối với động cơ bốn kỳ:

• Động cơ van trên[lower-alpha 16] (OHV).
• Động cơ van dưới[lower-alpha 17] (UHV).
• Van xoay[lower-alpha 18].

Đối với động cơ hai kỳ:[55][63]

• Lỗ thông khí thẳng[lower-alpha 19]: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm ở hai phía đối diện nhau ở một đầu xi lanh.
• Lỗ thông khí vòng[lower-alpha 20]: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm cùng một phía ở một đầu xi lanh.
• Lỗ thông khí thẳng một chiều[lower-alpha 21]: Động cơ này có lỗ quét và lỗ nạp khí nằm riêng biệt ở hai đầu xi lanh.[64]