燃焼室
副燃焼室内にグロープラグと噴射ノズルが設けられており、寒冷時での始動時はグロープラグからの熱で、副燃焼室の空気を事前に予熱することにより始動を容易にさせて、運転開始後は圧縮によって熱せられた空気が副燃焼室に入り込むことで着火する。着火した燃料は高い流速の火炎となって主燃焼室へ放出される。副燃焼室の主燃焼室側の開口部は「噴口」と呼ばれ、ここで流路を細く絞ることで吸気と火炎に高い流速を与えて拡散燃焼を助けている。
直接噴射式に比べると熱損失は大きいが、全ての回転域で容易に安定した燃焼状態が得られ、燃焼時間が長いため燃焼時の圧力と温度変化が穏やかで窒素酸化物と炭化水素の発生が少なく、騒音(ディーゼルノック)が低く高回転化にも適している。このため、コモンレール化以前の乗用車用を始めとした小型高回転型エンジンに多数の採用例がある。
予燃焼室式
ボア中心付近に、細長くやや小さめの副燃焼室を持つ。この噴口付近の通路に小さな焼玉を持つものもある。
渦流室式
半分程ボアからはみ出た位置に、球形のやや大きめの副燃焼室を持つ。予燃焼室式より大きくする事により容積あたりの表面積を最小として、シリンダーヘッドや冷却水に熱を奪われることを防ぎ、また、噴口を球の中心からオフセットする事により、圧縮時に副燃焼室内に強力なスワール(横渦流)を発生し、燃焼効率がさらに高められている。ピストン側の主燃焼室形状には「ハート形」や「双葉形」があり、吹き出した火炎がシリンダー内でもスワールを形成するようになっている。日産・CDエンジンのように、噴射ノズルからの燃料の一部がピストントップの主燃焼室に「直接」届く、噴口よりさらに小径の「副噴口」を持つものがある。
ロケットエンジンの燃焼室は燃焼による反動で推進するために使用される。
今日では可変バルブ機構の発達により吸気バルブの休止機構と共にバルブタイミングを可変させる手法も確立され、高出力と高燃費を両立することが可能となっている。
プレチャンバー型
ディーゼルエンジンの技術に由来する副室式については、過去にホンダのCVCCエンジンなど一部で採用例があるが、この際は採用は一時的なものにとどまっていた。しかし2010年代に入り、主にレーシングカー用のターボエンジンにおいて「プレチャンバー」と呼ばれる副室式を採用する例が見られるようになった。
具体的には、点火プラグの周辺をキャップのようなもので覆い副燃焼室(プレチャンバー)とし、主燃焼室との間を細いオリフィスで結ぶ。そして主燃焼室における圧縮行程が進むと、オリフィスを経由して混合気がプレチャンバーに流れ込む(パッシブ式。他にプレチャンバーに直接混合気を送るアクティブ式もある)。その状態で点火プラグが点火すると、プレチャンバー内で発生した火炎がオリフィス経由で主燃焼室にジェット噴流となって噴き出し、主燃焼室内の混合気を一気に燃焼させる。
プレチャンバー型は、2014年からのF1で使われる1.6L・V6ターボエンジンで採用されているほか(2014年にメルセデスが採用したのを皮切りに、2017年までに全車が採用した)、スーパーフォーミュラ・SUPER GT(GT500クラス)で使われているNRE(Nippon Race Engine)にも2016年頃からその技術が投入された。市販車では2020年発表のマセラティ・MC20で初めて採用された。