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1931年（上）と1950年（下）のカミンズ・ディーゼル・スペシャル
初めての大舞台での登場は1931年のインディ500で、当時ヨット用ディーゼルで成功していたカミンズが85馬力の、船舶用361立法インチ（5.9リッター）4気筒自然吸気ディーゼルを搭載した「カミンズ・ディーゼル・スペシャル」を投入した。燃費の良さを活かして一度もピットストップせずに完走を果たすというインディ500史上唯一の快挙を達成した。しかしエンジン重量は726kg、マシン総重量1537kgという凄まじい重さであり、最高速は時速100〜110マイルがライバルの平均の中でこのマシンは96.7マイルしか出ず、予選最下位・決勝13位で終わっている。1934年にはルーツ型スーパーチャージャーを装備の上、4ストローク仕様と2ストローク仕様の2台体制で挑戦。前者は予選22位で決勝はトルクにトランスミッションが耐えられずリタイア、後者は予選29位で決勝は200周を走りきったマシンの内最下位となる12位で完走した。
1949年のル・マン24時間にデレトレス兄弟がGMCのトラックのものを流用し、初めてディーゼル（4.4リッター直列6気筒、70馬力）で参戦したが、123周目に燃料の詰まりが原因でガス欠、エンストを起こした。スターターモーターを駆使してなんとか再スタートしてピットに戻るが、この間にバッテリーが切れて結局完走には至らなかった。
1950年にカミンズ・ディーゼル・スペシャルがインディ500に再登場。緑色のマシンは「グリーン・ホーネット」とあだ名された。4ストロークディーゼルならばガソリンの倍の大きさにできるという規則を利用し、6.6リッター直列6気筒+ルーツ型スーパーチャージャーで公称380馬力を発生。エンジン重量は390kgにまで抑えられた。しかし予選は下から2番目、決勝では52周でエンジンとスーパーチャージャーのトラブルでリタイアした。
その後カミンズ兄弟が開発支援に加わり、スーパーチャージャーに代わりインディ500史上初のターボチャージャーを投入したり、これまた初の風洞実験を行うなどの本格的な改良を重ねた。リベンジとなった1952年は打って変わってコースレコードとなる139.104マイルを記録し、ポールポジションを獲得している。しかしトルクに加えて相変わらず重量も凄まじい（1,406kg）ためタイヤへの負担が大きく、タイムアタック後に左2本はほぼ千切れていたという。決勝は無給油でも行けたが、タイヤ交換のためにあえて燃料タンクを軽くしピットストップする作戦を取った。酷いターボラグに悩まされスタートは出遅れ8位に下げたが、その後5位まで上げた。しかし70周でターボから黒煙が上がり、リタイアとなった。原因はターボチャージャーの位置が悪く（深く考えずにフロントグリルの奥の下部に設置したという）、タイヤカスを取り込んで塞がってしまったことであった。ディーゼル車のインディ500参戦はこれが最後となっているが、一部車両は現在も動態保存されている。
1962年にプジョーはピニンファリーナに委託し、404のコンバーチブルモデルをベースとした、奇妙な形状のシングルシーターを製作。これはディーゼルが耐久性と経済性のみならず、高速性能にも優れることを世に知らしめるための車両であった。最初に大型車用2.2リッターディーゼルを載せてモンテリ・レーストラックで31時間・5,000kmを走行し、平均速度160km/hを達成した。その2週間後には市販の404にも搭載している2.0リッターディーゼルに換装して、平均53秒のピットインを27回こなして72時間・11,627kmを走破。全開走行ゆえに燃費は8.3km/L程度だったが、平均速度は161km/hを超えた。この二回の挑戦で塗り替えた記録は40個にも達したとされる。
市販乗用車にディーゼルが広く普及し始めた1970年代に、ツーリングカーレースでの使用が見られ始めるようになった。1978年にニュルブルクリンク24時間レースにディーゼルのフォルクスワーゲン・ゴルフを持ち込んだプライベーターのチーム代表は、「耐久レースはディーゼル車にとって有益な応用分野」であり、「主催者と競技者は今後このことを考慮する必要がある」と語った。
90年代には過給器との組み合わせによりディーゼルが次世代環境技術として注目され始め、スパ・フランコルシャン24時間では「エコテック」クラスが創設され、フォルクスワーゲン・ゴルフやルノー・メガーヌ、BMW・3シリーズなどのディーゼル車両が参戦した。特にフォルクスワーゲンとBMWはワークス体制を敷いており、1997年には3-4位をディーゼル車が占めた。
1998年にはBMW・320Dが、当時スーパーツーリング規定がメインだったニュルブルクリンク24時間に参戦。2.0リッター直列4気筒で200馬力/400Nmという、トルク豊かだが出力不足なスペックを補うため、燃費の良さを活かしたピット戦略を駆使。ハイギアード志向なドライビングと併せ、4時間に1度という圧倒的な給油の少なさで開始6時間には1-2体制を築いた。1台は35周でリタイアしたが、もう1台は2位に実に6周差を付けてディーゼル車初の総合優勝を収めた。翌年以降はスーパーツーリング規定の終焉でGTカーの時代となり、さすがに総合優勝は争えなくなったが、2006年にBMW・120Dが同じ戦略で総合5位の好成績を収めている。
00年代半ば〜2010年代半ばになると、市販車市場におけるディーゼルの流行に反応し、レース運営もメーカーを呼び込むためにディーゼル規定を策定・大幅に緩和したお陰で、いくつかディーゼルレーシングカーが登場した。2006年にアウディ・R10 TDIがル・マン24時間レースに出場。1100Nmものトルクと、それに耐えた上でレーシングカーに載せられるだけのサイズのトランスミッションを兼ね備えたこのマシンは、ディーゼル車の初優勝を記録した。
これにプジョーもディーゼルのプジョー・908 HDi FAPで立ち向かい、2014年まで9年連続でル・マン勝者はディーゼル車という時代を築いた。特に2008年ル・マンでは、トップ6を両メーカーのディーゼル車が占めた。両メーカーとも馬力をガソリン車のレベルにまで引き上げるため排気量を規則上限の5.5リッターまで拡大し、各気筒の負荷も軽くするためにV型12気筒にまで多気筒化し、後で徐々に気筒数を減らすような進化を遂げた。また2006〜2011年の間に、気筒あたりの公称馬力はアウディの場合で54→90と実に1.66倍にまで進歩した。
2007〜2011年までのWTCC（世界ツーリングカー選手権）でもスーパー2000の姉妹規定としてディーゼル2000が施行された。最大出力はガソリンと同程度でトルクは100Nm以上勝るが、最低重量は30kg重く設定された。元々前輪駆動の上に重いディーゼルと過給器・インタークーラー類を載せるため、さらにフロントヘビーになってしまうことで活躍を疑問視されたが、フォルクスワーゲン・ゴルフの兄弟車がベースのセアト・レオン TDIが、2008〜2009年とドライバー/マニュファクチャラー双方で2連覇を達成している。FIA世界選手権でディーゼルがタイトルを獲得した初の事例であった。なおディーゼルを採用したのは商業的理由以外にも、レオンは元々直線速度が弱点だったため、これを解決する意味もあったとされる。このレオンはBTCC（イギリスツーリングカー選手権）でも活躍した。
またマツダも2013年にロレックス・スポーツカー・シリーズ（グランダム）にディーゼルのMAZDA6で参戦し、GXクラスの年間タイトルを獲得する活躍を見せた。
しかしこれほどの栄華を誇っていたにもかかわらず、ディーゼル車は2010年前後にはすでにエントラントたちの人気を失いつつあった。ニュル24時間では2009年からディーゼル車専用のD1T〜D4Tクラスを導入したが、すぐに台数不足でクラスが成立しなくなり、2014年以降はAT（代替エネルギー）車クラスに吸収されている。
WTCCではセアト以外にディーゼルを投入するメーカーはいなかった上に、ガソリンとの技術的均衡を保つのが難しく、毎戦のように規則のバランスを巡って侃々諤々の議論が繰り返された。セアトが2009年に経営見直しのためワークス撤退した後の2013年からディーゼル2000は廃止され、ガソリンのダウンサイジングターボ規定へと移行した。
またル・マンでもアウディとプジョー以外にディーゼルで参入するメーカーは無く、プライベーターでも両メーカーに先立って2004年にローラ・B2K/10で試みはされるが、トランスミッションがディーゼルのトルクに耐えられなかった。メーカー参入の誘因と同時に障壁にもなっていたディーゼルは年々規制が強化されていった。
経営難のプジョーは2011年までで撤退。そして2012年WEC（世界耐久選手権）の発足に伴い、ハイブリッド規定が導入されて以降、バッテリーを大きくしやすい軽量なガソリン勢に押されるようになり、アウディは徐々に覇権を失っていった。マツダはグランダムが消滅した2014年からプロトタイプクラスに転身し、LMP2車両にディーゼルを搭載してIMSAに参戦するが、テールエンダーが定位置であった。2016年に北米マツダは、ディーゼルが禁止となる新DPi規定を見越してガソリンターボへ変更し、同年末にアウディはル・マンから撤退。こうしてディーゼルはサーキットの大舞台から姿を消した。
2023年現在はWECもIMSAもディーゼルは禁止されている。ツーリングカーのTCRやニュル24時間の代替エネルギー車クラスでは認可されているものの、前者は実際にディーゼルで公認を取得した車両はなく、後者も2010年代後半からディーゼルでエントリーするチームが無くなっている。唯一、スーパー耐久の試験車クラスでマツダがバイオディーゼル車両の開発のために走らせている程度に留まっている。