1816年、スコットランドの牧師であり、発明家であるロバート・スターリングが発明した。それまでにもホットエアエンジンと称する機関を作ろうとする試みはあったが、スターリングが1818年に製作して採石場の排水ポンプとして使ったものが世界初の実働する機械である。スターリングエンジンという呼称が当初から広く使われていたわけではない。スターリングの元々の特許の主題は、様々な用途で燃料消費を節約する"economiser"と当人が呼んだ熱交換装置であった。特許には、彼の独創的なクローズド・サイクルのエアエンジン設計における economiser の一形式の詳細を描いており、それは今日「リジェネレータ」と呼ばれているものに他ならない。ロバート・スターリングと兄弟のジェームズはその後も開発を続け、様々な改良について特許を取得した。例えば、1843年には与圧式のものを完成し、スターリングの所有するダンディーの工場内の全ての機械を十分駆動できる出力が得られるようになった。異論はあるが、スターリングエンジンは燃費向上と同時に、当時の蒸気機関のボイラーが頻繁に爆発を起こし、死傷者をだしていたため、より安全な動力源を作るという意図があったと一般に言われている。しかし、スターリングエンジンの出力と効率を最大にするには非常に高温で運用する必要があり、当時の材料では限界があった。初期に作られた少数のエンジンは、蒸気機関のボイラーのような危険さはないものの、頻繁に故障を繰り返した。実際、スターリングのダンディー工場でも4年間で3回、シリンダーを交換するような故障が発生し、その後蒸気機関に置き換えたという。
スターリングエンジンは、理想的にはカルノーサイクルを実現する熱機関である。存在しうる熱機関の中で最も高い効率で熱エネルギーを仕事に変換できる可能性がある。熱エネルギーを仕事(力学的エネルギー)に変換する効率はカルノーサイクルを超える事は出来ず、現実的にはカルノーサイクルに等しい熱効率を実現することはできないが、スターリングエンジンによる熱エネルギーからの変換効率はカルノーサイクルに最も近いといわれている。実際の装置では、燃焼熱の多くはガス以外の部分に流れて浪費されてしまい、理論効率に近づけるためには、複雑な構造が必要である。熱効率は高温部と低温部の温度差が大きいほど高くなり、内部に封入されているガスの熱容量によって出力の上限が制限されるため、体積あたりの出力が小さく、十分な出力を得るためには装置が大型化するという欠点があり、装置が大型化するほど内部の気体を移動させるために必要なエネルギーが大きくなり損失が増大する。体積を比較的気にしなくて良い発電所などの固定設備用途であっても熱効率の高さによる燃料費節約のメリットよりも設備費が大きくなるデメリットの方が大きく、総合的な費用対効果はディーゼルエンジンや蒸気タービンに劣るため、実際に使用される場面は非常に限られている。また、出力応答性も悪いため自動車やオートバイなどの乗り物に使用するのにも不向きで、潜水艦の補助動力（AIP）など効率よりも粛音性能を要求されるような特殊な事例でしか乗り物での実績がない。このような事情から理論上の効率は最高でも、現実には実用性が低い機関となっている。潜水艦などでの利用に際しては、機関内部に気体の高圧ヘリウムを用いる。ヘリウムは比熱容量が大きいため高圧にして密度を高めることで体積あたりの出力を高め小型化を実現した。しかし、気体であるヘリウムはごくわずかな隙間からでも漏れるというリーク問題があり、製造には高度なシーリング技術が必要であり、コストを引き上げる要因にもなっている。粛音性に関してもAIPを可動部のないリチウムイオン二次電池で置き換えた潜水艦が登場している。
スターリングエンジン（英: Stirling engine）とは、熱機関の形式のひとつで、シリンダー内のガス（もしくは空気等）を外部から加熱・冷却し、その体積の変化(加熱による膨張・冷却による収縮)により仕事を得る外燃機関である。熱交換をすることによってカルノーサイクルと同じ理論効率となる。スコットランドの牧師、ロバート・スターリングが1816年に発明し、名称はこれに由来する。
1550年、第16代オックスフォード伯ジョン・ド・ヴィアーの息子として生まれた。生家はイングランドで2番目に古い伯爵領を継承する家柄である。当時の慣習により代理親トーマス・スミス（Sir Thomas Smith）の家庭で育てられ、ケンブリッジ大学（セント・ジョンズ・カレッジ）の元フェロー、トーマス・フォウル（Thomas Fowle）によって教育を受けた。1558年にケンブリッジのクイーンズ・カレッジに入学しているが、正式には卒業していない。1562年8月に父が亡くなり第17代オックスフォード伯を継承、若いエリザベス1世の第一秘書（Chief Secretary）であったウィリアム・セシルを直属の上司として、その監督の下、フランス語・ラテン語・天文学・画・舞踊・乗馬などの修行に励んだ。1564年に叔父で翻訳家のアーサー・ゴールディングに『ポンペイウス・トログスによる歴史の梗概　Th' Abridgement of the Histories of Trogus Pompeius』を与えられ、古代に関する興味を喚起させられている。1575年からエリザベス1世の命により、外国へ派遣されその年の2月にはフランス王アンリ3世と王妃に謁見を許されている。3月にはストラスブールでヨハンネス・シュトゥルム（Johannes Sturm）博士に会い、それからミラノを経由してヴェネツィアに向かっている。イタリアでは他にシエーナに滞在している。1577年にはパリにいてユグノー戦争の第6次戦争にはアンリ3世に奉仕を申し出たという。帰国後、裁判制度にイタリアの方式を導入したともいわれる。1604年に54歳で死去、息子のヘンリーがオックスフォード伯位を継いだ。オックスフォード伯はブラックフライアーズ（Blackfriars Theatre）をはじめとした劇団や詩人、芸人の保護者として賞賛を博していた。詩人としても有名であり、同時代の批評家であるウィリアム・ウェッブ（William Webbe）やジョージ・パトナム（George Puttenham）に賛辞を贈られている。詩集『The Paradise of Dainty Devises』(1576-1606) に彼の詩が収められている。(Untitled)When wert thou borne desire?In pompe and pryme of May,By whom sweete boy wert thou begot?By good conceit men say,Tell me who was thy nurse?Fresh youth in sugred ioy.What was thy meate and dayly foode?Sad sighes with great annoy.What hadst thou then to drinke?Vnfayned louers teares.What cradle wert thou rocked in?In hope deuoyde of feares.