Fruit des travaux de l'ingénieur allemand Rudolf Diesel de 1893 à 1897, le moteur Diesel est un moteur à combustion interne dont l'allumage n'est pas commandé mais spontané, par phénomène d'auto-inflammation. Il n'a donc pas besoin de bougies d'allumage. Cela est possible grâce à un très fort taux de compression (rapport volumétrique) d'environ 14:1 à 25:1, permettant d'obtenir une température de 700 à . Des bougies de préchauffage sont souvent utilisées pour permettre un meilleur démarrage du moteur à froid, en augmentant, temporairement, la température d'un point de la chambre de combustion.
Le carburant devait être du charbon pulvérisé, mais ses résidus de combustion usaient prématurément le moteur, poussant Rudolf Diesel à lui préférer un carburant liquide ; le fioul (gazole) a été préféré car moins coûteux et se pulvérisant mieux grâce à une moindre viscosité, mais du fioul lourd ou des huiles végétales ou minérales sont parfois utilisées. 
Rudolf Diesel développa son moteur dans la fabrique de machines d'Augsbourg (Maschinenfabrik Augsburg), entreprise prédécesseur de MAN. Le Français Lucien-Eugène Inchauspé (1867-1930) a conçu la pompe à injection pour en faire un moteur performant.
Le moteur peut être à deux temps (surtout sur les navires, avec suralimentation par compresseur et injection pneumatique) ou à quatre temps. Le moteur diesel à taux de compression élevé a connu une expansion rapide en automobile en Europe à partir de la fin des années 1980, lorsque la suralimentation, par turbocompresseur, en a notablement amélioré les performances, avec comme conséquence une contribution importante à la pollution de l'air par les transports, le diesel émettant des aérosols sous forme de particules de carbone.
Description.
Principe.
Comme le moteur thermique à essence, le moteur Diesel est constitué de pistons coulissants dans des cylindres, fermés par une culasse reliant les cylindres aux collecteurs d'admission et d'échappement et munie de soupapes commandées par un arbre à cames.
Son fonctionnement repose sur l'auto-inflammation du gazole, fioul lourd ou encore huile végétale brute ("Biodiesel" ou autres) dans de l'air comprimé à 1:20 du volume du cylindre (environ 35 bar), et dont la température est portée de à environ. Sitôt le carburant injecté (pulvérisé), celui-ci s'enflamme presque instantanément, sans qu'il soit nécessaire de recourir à un allumage commandé par bougie. En brûlant, le mélange augmente fortement la température et la pression dans le cylindre (60 à 100 bar), repoussant le piston qui fournit une force de travail sur une bielle, laquelle entraîne la rotation du vilebrequin (ou arbre manivelle faisant office d'axe moteur, voir système bielle-manivelle).
Les quatre temps du cycle Diesel sont :
Vitesse et puissance.
Les vitesses de rotation des moteurs Diesel sont très différentes d'un moteur à un autre. En effet, plus le moteur est gros, plus la course du piston est grande, et plus le moteur est lent. Trois classes de moteurs sont ainsi définies :
La limite maximale du régime de rotation d'un moteur est déterminée par la vitesse de déplacement du piston dans le cylindre. Elle est exprimée en m/s. Les constructeurs motoristes, suivant l'utilisation du moteur et la fiabilité qui leur est demandée, ont fixé des plages limites (résultat d'essais d'usure) suivantes :
Ces limites déterminent la durée de vie du moteur et sa puissance en chevaux, ou kW, par litre de cylindrée. La mise en survitesse du moteur risque de conduire à des chocs pistons-soupapes qui se traduisent souvent par le flambage des queues de soupapes ou de leurs tiges de commande. Schématiquement, plus le piston est gros, plus sa course est importante.
Pour exemple : moteur DW10 ATED de PSA, cylindrée , alésage , course , régime de puissance maximale . Pour ce moteur, la vitesse linéaire du piston dans le cylindre à est de : 88 x 2 (deux courses par tour moteur) = ou, en mètres,  × , soit ou 704/60 m/s = 
La vitesse de rotation d'un moteur est directement liée à la course du piston (donc à la cylindrée) et à son usage. Suivant la définition ci-dessus : moteur lent, moteur semi rapide ou rapide, un moteur défini comme semi rapide à peut avoir une course de pour une vitesse linéaire de piston supposée de . Si l'on suppose que le cylindre de ce moteur est de type carré (course égale à l'alésage) soit course et alésage , la cylindrée unitaire est de .
Pour le moteur cité ci-dessous (alésage et course ), le piston se déplace de par tour. Pour une vitesse de rotation de , la vitesse linéaire du piston est de . Au régime de puissance maximale développée, à , celle-ci sera de .
Certains moteurs Diesel lents de type 2-temps, atteignent (voir le porte-conteneurs Emma Mærsk), comme le Wärtsilä RT-flex96C 14 cylindres, moteur à 2 temps lent (). Les cylindres ont un alésage de et le piston une course de . Ce moteur a une hauteur d'environ et une longueur de pour un poids de .
Combustion.
Dans les cylindres du moteur Diesel s'opère la combustion du carburant, qui consiste en l'oxydation vive de celui-ci par le dioxygène présent dans l'air. Les produits de cette réaction se résumeraient au dioxyde de carbone et à l'eau si le carburant ne contenait que des hydrocarbures et si la combustion était complète et non accompagnée de réactions secondaires. La combustion est exothermique, c'est-à-dire qu'elle dégage de la chaleur.
Si on suppose le carburant entièrement constitué d'hexadécane, la réaction de combustion interne du moteur Diesel peut être décrite, en première approximation, par l'équation de la combustion complète de l'hexadécane :
hexadécane + dioxygène → dioxyde de carbone + eau  soit : 
2 C16H34 + 49 O2 → 32 CO2 + 34 H2O
la chaleur dégagée étant d'environ (PCI) par mole d'hexadécane brûlé.
Dans les conditions stœchiométriques de la combustion "neutre" (sans excès d'oxygène), il faut de dioxygène pour brûler d'hexadécane, soit, pour une combustion à l'air, d'air (supposé sec) par g d'hexadécane. Cette combustion neutre dégagera, pour chaque gramme d'hexadécane brûlé :
En pratique, le ratio utilisé dans les moteurs Diesel est plutôt de d'air par gramme de gazole. Les gaz résiduaires de la combustion Diesel réelle comportent donc principalement du diazote, du dioxygène, du dioxyde de carbone, de la vapeur d'eau et de l'argon ; viennent s'y ajouter divers polluants résultant du caractère imparfait de la combustion principale et de l'existence de diverses réactions secondaires.
Usage.
Le moteur Diesel est de préférence utilisé lorsqu'il y a besoin d'un couple important ou d'un bon rendement : locomotives, bateaux, camions, tracteurs agricoles, groupes électrogènes, engins de travaux publics ou automobiles. D'un point de vue historique, c'est la marine de guerre qui s'intéresse en premier aux moteurs Diesel. Compte tenu des dimensions des premiers moteurs Diesel, il semblerait naturel que les ingénieurs et architectes navals se soient, avant tous les autres, intéressés à ce nouveau moteur qu'ils avaient la place d'accueillir, puisque ce sont, avant tout, les sous-marins qui en furent équipés. Car les moteurs à explosion ne développaient alors pas assez de puissance et les moteurs à vapeur, dégageant trop de fumée, auraient été contre-productifs, le souci étant précisément de mettre au point un bâtiment discret. Par ailleurs, même si le moteur Diesel connaît une importante progression durant l'entre-deux-guerres, la vapeur reste prépondérante (la chauffe au charbon étant progressivement délaissée au profit de la chauffe au mazout).
Il faudra attendre la deuxième moitié du pour voir le moteur Diesel se répandre dans les moyens de transport maritime (armés ou non) au point de devenir au un standard de motorisation que n'a pas réussi à concurrencer la propulsion nucléaire (plus chère par différents aspects). Les premiers véhicules terrestres équipés de moteurs Diesel sont apparus au début des années 1920 (Benz et Daimler). D'abord destiné aux moyens de transport « lourds » (camions, notamment), le moteur Diesel a fini par se tailler une place dans l'automobile, même si la motorisation « essence » y reste majoritaire.
En effet, le gazole ayant un pouvoir calorifique volumique plus important que l'essence et bénéficiant d'une taxation légèrement plus favorable en France, les moteurs Diesel se révèlent plus économiques à la pompe bien que plus chers à l'achat et à l'entretien. Les performances ayant ainsi tendance à s'équilibrer, le gasoil a su se montrer plus sportif et nerveux, séduisant ces dernières années une clientèle jadis acquise à l'essence. Cela étant, l'équilibrage en termes de performances se traduit aussi par un équilibrage en termes de coût. Les nouvelles technologies mises en œuvre engendrent un surcoût chez le garagiste qui est de moins en moins compensé à la pompe, compte tenu de la hausse globale du prix des hydrocarbures... Il convient néanmoins de faire une distinction géographique : si, en France par exemple, le moteur Diesel se démocratise, aux États-Unis, les voitures fonctionnent encore très majoritairement à l'essence, qui reste moins chère que le Diesel.
Avantages.
Les raisons du succès du moteur Diesel dans l'automobile, au-delà d'avantages fiscaux qui relèvent de choix politiques et non techniques, tiennent essentiellement à son rendement, supérieur à celui du moteur à essence. Ce rendement peut être encore amélioré par la mise en œuvre de technologies novatrices :
Avec les nouveaux dispositifs d’injection directe, injecteurs-pompe, rampe commune et injecteurs piézo-électrique, la pression atteint jusqu'à (contre pour la première rampe commune et moins de pour un moteur à injection indirecte), ce qui assure une pulvérisation du gazole turbulente, continue, constante et bien répartie, essentielle pour une bonne combustion.
Les autres avantages du moteur Diesel par rapport aux moteurs à essence sont les suivants :
Inconvénients.
Les premiers moteurs Diesel étaient beaucoup plus lourds, bruyants et bien moins puissants que leurs homologues à essence. Ces inconvénients ont été partiellement éliminés sur les véhicules modernes grâce, en particulier, au turbocompresseur à géométrie variable, aux rampes d'injection communes ou à l'injection très haute pression. La réduction du niveau sonore dépend beaucoup de la gestion de l'injection et des dispositifs d'insonorisation. De par leur conception, à puissance égale, ces moteurs restent plus lourds que leurs homologues à essence. Un moteur Diesel est moins "lisse" qu'un moteur Essence, et fonctionne mieux à bas régime, il a donc moins d'allonge que son homologue à essence.
Pollution, toxicité et écotoxicité des gaz d'échappement.
Outre que le Diesel incite aussi à encore prélever du carbone fossile et émettre des gaz à effet de serre, ses impacts spécifiques sur la santé environnementale, évoqués dès les années 1900 et sur la pollution de l'air sont préoccupants du fait de la quantité de particules émises.
Le problème des particules.
La génération de particules est quasi-congénitale au principe du moteur Diesel. Dans les motorisations essence, on introduit dans le cylindre un mélange gazeux air/essence quasiment homogène, de composition invariable (et explosive), qu'on amène à la pression souhaitée, puis dont on provoque l'explosion par ignition en un point au moyen d'une étincelle commandée et déplacement d'un front de flamme dans le mélange ; on évite l'auto-inflammation du mélange, qui provoquerait le cliquetis (et à terme des dégâts matériels plus graves).
Dans les moteurs Diesel, on la recherche ; le débit d'air y est constant, mais la proportion de carburant qui y est injecté, sous forme d'un brouillard de fines gouttelettes, est variable ; c'est la compression, qui, par augmentation simultanée de la pression et de la température, va provoquer l'auto-inflammation du mélange en un ou plusieurs points de la chambre de combustion, où sont simultanément réunies les bonnes conditions de concentration, de pression et de température.
Ailleurs, elles ne le sont pas, ce qui a plusieurs conséquences : certaines heureuses, à savoir qu'il n'y a pas auto-inflammation de l'ensemble du contenu du cylindre, comme cela se produit dans le cas du cliquetis des moteurs à essence, et donc pas de stress mécanique exagéré ; d'autres qui le sont moins : en dehors des points où se produit l'auto-inflammation, la combustion n'est pas optimale ; ceci est en grande partie compensé par le fort excès d'air et le fort taux de compression des moteurs Diesel, qui favorisent l'efficacité de la combustion, mais il y a forcément des zones à grand excès d'air, qui provoqueront la formation d'oxydes d'azote et des zones trop riches en carburant, qui génèreront des imbrûlés.
La nature des carburants diesel usuels : des hydrocarbures relativement lourds, avec un ratio carbone/hydrogène élevé, une fraction aromatique importante et un taux d'aromatiques polycycliques non négligeable, fait que parmi ces imbrûlés, il y a des suies, des dépôts de coke mêlé à des HAP, qui forment des plaquettes de type graphitique, puis des sphérules carbonées, sur lesquelles viennent s'adsorber d'autres polluants (oxydes de soufre, hydrocarbures). La taille moyenne de ces particules serait de en nombre, de en volume. Non seulement on a affaire à des particules fines, mais elles comportent une grande part de nanoparticules.
La composition et la granulométrie des particules émises par les moteurs Diesel en font leur principal problème sanitaire et environnemental :
Les systèmes d'injection directe haute pression, qui permettent d'homogénéiser la composition du mélange, et la sur-alimentation par turbo-compression à géométrie variable, qui augmente la pression partielle d'oxygène, sont supposés améliorer la qualité de la combustion et donc, d'une part augmenter le rendement, d'autre part, diminuer la quantité de particules, mais ce dernier fait est controversé en ce qui concerne les systèmes d'injection. La diminution de la teneur du carburant en naphténiques et en aromatiques et, particulièrement, en aromatiques polycycliques, son additivation en composés oxygénés diminuent la production de particules. En revanche, le rapport entre indice de cétane et émission de particules est extrêmement controversé, certains affirmant que son élévation s'accompagne de l'augmentation du nombre de particules émises, d'autres assurant le contraire.
D'autres imbrûlés cancérigènes.
Sont également présents dans les gaz d'échappement :
Les oxydes d'azote.
Les oxydes d'azote - NOx sont des précurseurs de la pollution à l'ozone, surtout par temps ensoleillé et notamment lors de canicules. 
Les normes européennes d'émission ont pris en compte de manière limitée la réduction des oxydes d'azote - NOx émis par les moteurs Diesel. Actuellement la limite est de pour les camions (Euro V) et pour les voitures particulières (Euro 5).
Le cas particulier du NO2.
On distingue le NO2 des autres oxydes d'azote - NOx. Le NO2 se combine avec l'humidité des muqueuses nasales, de la sphère ORL et des poumons en donnant de l'acide nitrique. Il cause des troubles respiratoires (asthme notamment) ou il les aggrave, avec des symptômes souvent chroniques chez certains automobilistes et chez les habitants ou travailleurs des zones où la circulation est dense. 
Aux États-Unis, l'EPA a proposé en juin 2009 de durcir la réglementation (éventuellement avant janvier 2010) sur les émissions de NO2 par les véhicules ; l'agence a proposé sur des bases scientifiques récentes :
Les pots catalytiques se développent et on voit se généraliser, depuis 2009, la présence de filtre à particules sur les nouveaux moteurs Diesel. Or, les catalyseurs mais aussi certains modèles, s'ils permettent la « combustion » de suies fines dans le filtre ou le pot catalytique ont pour effet paradoxal d'encore accroître les émissions de NO2. L'addition de platine, notamment dans le Diesel oxydation catalyst positionné en amont du filtre à particules, génère du NO2 qui va contribuer à la régénération dite « "passive "» des filtres à particules.
L'AFSSET alerte sur le fait que si au moins 30 % des filtres installés dans les années à venir sont de type « non polluants », alors les taux de NO2 émis par les véhicules légers devraient diminuer entre 2009 et 2014, mais si moins de 30 % des filtres posés le sont, le NO2 augmentera encore. 
L’Afsset a recommandé milieu de l'année 2009 
Les règlements Euro VI (véhicules lourds) et Euro 6 (véhicules légers) imposeront aux constructeurs des moteurs émettant moins de NO2, mais :
Les odeurs caractéristiques des gaz d'échappement des moteurs Diesel sont dues à un ensemble complexe de composés organiques tels que les indoles, furanes et phénols.
Pistes d’améliorations potentielles.
Des améliorations des moteurs au niveau de l'émission de particules et d'oxydes d'azote sont aujourd'hui proposées.
Évolution des carburants.
Une première amélioration des carburants destinés aux moteurs Diesel (gazole, fiouls) a consisté en l'abaissement progressif, dans tous les pays, de leur teneur en soufre, ce qui a réduit l'émission de dérivés soufrés acides et polluants. Aujourd'hui, la réglementation européenne exige que le gazole, routier ou non routier, contienne moins de de soufre. Toutefois, cette amélioration a un coût énergétique et environnemental : la désulfuration du gazole requiert un traitement à l'hydrogène et la production d'hydrogène est elle-même une source importante d'émissions de à l'atmosphère.
Le lien entre la présence dans le carburant d'hydrocarbures naphténiques et aromatiques et particulièrement, d'hydrocarbures aromatiques polycycliques (HAP) et la formation de particules étant avérée, la réglementation a limité à la teneur en composés aromatiques polycycliques du gazole. On sait aussi que l'ajout de composés oxygénés, qui améliorent la qualité de la combustion, diminue la production de particules ; il est prévu d'incorporer des méthyl-esters d'acides gras (EMHV) au gazole, mais à hauteur maximale de , sans qu'une teneur minimale soit fixée.
Certains imaginent une limitation plus stricte de la teneur en composés aromatiques ou l'obligation d'introduire une certaine proportion de composés oxygénés. Toutefois, de fortes difficultés se font jour : éliminer les aromatiques par extraction serait bien plus difficile dans le gazole que dans l'essence ; les hydrogéner par hydrotraitement consommerait énormément d'hydrogène, pour les transformer en naphténiques qui ne valent guère mieux. Une bonne façon de limiter la teneur en aromatiques (en même temps que d'élever l'indice de cétane et d'améliorer la tenue au froid) serait de davantage recourir à l'hydrocraquage pour l'obtention de gazole, mais ceci requiert des investissements élevés. Par ailleurs, les pétroliers demeurent hostiles à l'incorporation de produits oxygénés dans les carburants. 
À plus longue échéance, si les procédés "gas to liquids" se développent, le gazole issu du procédé Fischer-Tropsch suivi d'hydroisomérisation fournirait un gazole totalement paraffinique, donc à très haut indice de cétane, le degré d'isomérisation permettant de contrôler la tenue au froid. Une telle composition réduirait fortement les émissions de particules. Il est également envisagé d'utiliser le méthoxyméthane, plus connu sous la désignation de diméthyl-éther (DME), comme carburant diesel du fait de son indice de cétane élevé (55, à comparer à celui du gazole, de 51 au minimum). Sa formule semi-développée CH3OCH3 met en évidence qu'il s'agit d'un produit léger, à chaîne carbonée courte et dépourvue de cycle aromatique, et de surcroît oxygéné. La qualité de la combustion serait toute autre, qu'il s'agisse des particules et imbrûlés de toutes sortes ou des NO.
Ces carburants synthétiques sont pour l'instant principalement produits à partir de combustibles fossiles et leur synthèse induit elle-même une consommation énergétique et une émission de CO : un bilan global implique de comptabiliser l'ensemble de la dépense énergétique et des émissions de la filière, et pas uniquement ce que le consommateur final est à même de percevoir et de concevoir. Mais on peut envisager de générer le gaz de synthèse alimentant le procédé Fischer-Tropsch à partir de biomasse et le DME fait partie des possibles biocarburants de seconde génération, qui pourraient se contenter de lignocellulose comme matière première.
Compétition.
La domination des moteurs Diesel durant les 24 Heures du Mans a fait l'objet de nombreuses controverses, elles étaient surtout due à des arrêts aux stands moins fréquents en raison d'une consommation inférieure à celle des moteurs à essence, mais aussi au couple énorme que génère ces moteurs (un V12 TDI dont la puissance maximale est atteinte à () environ, avec une puissance de (), on en déduit un couple de (C=P/omega) /430 = ), (ces calculs sont approximatifs mais démontrent parfaitement le phénomène autour de ces moteurs), qui permet des accélérations supérieures aux essences. Mais implicitement, leur domination est aussi due à leur valorisation, par rapport aux moteurs essence. 
Les usines Audi et Peugeot envisagent à l'avenir de mêler la motorisation Diesel à une motorisation électrique, créant ainsi un bolide de compétition hybride. Les tentatives d'insertion des motorisations Diesel en compétition font écho aux chiffres de vente de ces motorisations face aux motorisations à essence en Europe. Les constructeurs automobiles cherchent à promouvoir l'image d'un Diesel plus intéressant économiquement que l'essence, sous l'influence très marquée des incitations gouvernementales (taxes moindres sur les carburants Diesel, primes écologiques à l'achat, etc.).