ピストンはシリンダ内の混合気の燃焼により、ガス膨張圧を受け止め、シリンダの体積を増やす方向に移動する。このような直線的な運動をそのまま動力源として用いることは少なく、通常はコネクティングロッド（コンロッド）と呼ばれる棒状の部品を介して回転運動可能なクランクシャフトに接続する。ピストンとコネクティングロッドの間に直動のみで揺動しないピストンロッドが入るクロスヘッド方式（主に大型の機関）もある。このような構成を採ることで、往復運動をタイヤやプロペラ、スクリューなどの回転運動に変換できる。発電機に接続し、機械的エネルギーを電気エネルギーに変換する場合もある。この「ピストン=クランク機構」のピストン位置の時間変化曲線は、サインカーブを描かない（上死点側の動きがより急になる）。これがエンジンの振動を悪化させる場合もある。なお、混合気の吸気と圧縮、燃焼ガスの排気サイクルでは、クランクシャフト側がピストンを動かしている。
燃焼室（シリンダー）の断面は一般的に円形であるため、ピストンの断面も円形である。ガソリンエンジンの場合、効率の良い燃焼（火炎伝播）を得てかつ、バルブとの干渉を避けるために、燃焼室の形状は複雑化している。そのため、燃焼室の底面を兼ねるピストン上面も凹凸を持つことが多い（バルブリセス）。高い圧縮比を得るために、上面に大きく凸形状を与えられたり、逆に圧縮比を低く抑えるために凹形状になっているものもある。なお、ディーゼルエンジンの場合は、ピストン頭頂部を大きく窪ませて燃焼室を形成している。素材には鉄、アルミニウム合金、チタン合金などが用いられている。製造法は生産性とコストを重視する量産品の場合、現在はアルミ鋳造品が一般的である。競技車やチューニングカーに用いられる専用ピストンは燃焼時の衝撃に耐える強度を確保するため、アルミ鍛造により製作されることが多い。ピストンでエンジン運転時最も厳しい部分は、ピストンピンとピストンの界面での摩擦であり、ドイツのダウンサイジングはここにDLCコーティングを施して、ブレークスルーをした経緯がある。シリンダー内の気体や液体がピストン側面から漏れると、効率の減少や潤滑油の希釈などが発生し危険でもある。しかしながら、シリンダーとピストンの断面の形状を全く同一にすると、摩擦による運動エネルギーの損失が生じる。そこで、ピストンの周囲に鉢巻のような構造であるピストンリングを付ける。自由状態ではシリンダ径よりも大きく出来ており、シリンダ内では外に広がろうとする張力を発生することで、側面の吹き抜けを抑えている。なお、ピストンリングは2 - 3本付けることが多い。ピストン下部には、その形状からスカートと呼ばれる部位がある。スカートは、ピストンがシリンダー内部で傾倒するのを防止する目的でつけられる。以前はピストン全周にスカートがあったが、近年ではピストンが傾く方向、すなわちピストンピンに直行する方向にのみスカートが設けられるのが普通である。また、その長さも短くなってきている（スリッパーピストン）。スカートの形状は一見するとただの円筒のように見えるが、温間時に真円になるよう水平断面形状は楕円形状をしており、またスムーズな摺動や首振りによる打音を抑えるため、横から見ると中央付近が膨らんだ樽型をしている。一部レーシングエンジンでは、スカートをほぼ省略し、摩擦力を軽減しているものもある。近年、スカート部にコーティングを施し、摩擦力を低減している物もある。コーティングの組成はエンジン性能を直接左右するため、多くのメーカーで秘密とされるが、主にモリブデンを含むフッ素樹脂（デュポン社のテフロン®など）であると言われている。
全体を二つ折りにして一端をループを手首に通すか手に巻き付けるなどして手に固定して他端とともに握り、広い部分に石をくるんで頭上で振り回すか（オーバースロー）、体側面で振り回す（アンダースロー）かして、適当な位置で握った手を緩めるとひもの片方が手から抜けて石が飛ぶ。ひもの一方を放すタイミングが方向や射程に大きく影響するので、飛び道具の中で最も修得が困難だったといわれる。オーバースロー、アンダースローともそれぞれ長短あり、使い分けを要する。またそれぞれの射程に適した投石紐の長さがあり、標的までの距離に応じて選択する能力も要求される。一般的に近距離の標的に当てる時は短い紐の物を使い石も比較的大きく重い石を使用し、逆に遠距離の場合は長い紐の物で小さく軽い石を用いた。弾としては川原などで選んだ玉石のほか、軍用には陶製・鉄・青銅・鉛製の弾も使われた。古代ギリシアで使われた鉛弾は、ラグビーのボールをやや長くしたような形で、「服従せよ」など往々敵に対する短い言葉が鋳込んであった。また羊飼が使う弾にも同様の形に作って焼いた土製のものがある。こちらは、飛ばした時に大きな音が出るように作られていた。投石器の持つ弓と比べたときの強みは、射程が長かったこと、より強力な弾を投射できたことなど様々であるが、その最大のメリットは弾丸の調達が容易であったことである。鉄の鏃を持った強力な矢の大量生産は時として大変な作業であったが、投石器はそれが大規模に運用される場合においても、特殊な補給を必要としないことが多い。適当な硬度・大きさ・形状の石を手近な川原・岩場などから拾ってくればいいのである。ただし、集団で一斉に同一射程の標的を狙う場合は些細な石の質量や密度・形状の差でその攻撃効果が大きく左右されかねないため、より組織的な攻撃を行うためには規格化された均一の品質を持った弾を使うことが望ましく、その結果ばらつきの激しい天然石ではなく人工的に生産された弾が求められるようになるに至り、弾丸の調達に関しては矢と大差なくなってきたのも事実である。また、もう一つの強みとしては狙いを定めている間、弓矢は両手で構えていなければならないのに対して投石器は片手で振り回している為、もう片方の手が自由であると言う点があった。例えば弓矢の敵と戦う時、このあいた片手で盾を持っておけば敵よりも相手の攻撃を避ける事ができた。その為、古代ヨーロッパなどでは弓矢を使う相手に対して投石器や投げ槍を優先的に用いて対抗することもあった。これに対してデメリットには、弓矢と違い一度投石動作を開始すると、その途中で標的を変更することがほとんど不可能なこと、馬上からの使用が困難なことなどがある。