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Theoretisch unterscheidet sich der Dieselmotor vom Ottomotor dadurch, daß die Verbrennung bei konstantem Raum (Gleichraumverfahren) stattfindet und nicht bei konstantem Druck (Gleichdruckverfahren). Auch die meisten Dieselmotoren sind Viertaktmotoren, arbeiten allerdings anders als Ottomotoren. Beim ersten oder Ansaugtakt wird nur Luft und kein Kraftstoff durch ein Einlaßventil in den Brennraum gesogen. Beim zweiten Takt, dem Verdichten, wird die Luft auf einen geringen Teil ihres vorherigen Volumens zusammengepreßt und durch das Zusammenpressen (Kompression) auf etwa 440° C erhitzt. Am Ende des Verdichtungstaktes wird zerstäubter Kraftstoff in den Brennraum eingespritzt und verbrennt aufgrund der hohen Temperatur der Luft im Brennraum sofort. Einige Dieselmotoren verfügen über eine zusätzliche elektrische Zündanlage, die den Kraftstoff beim Anlassen zündet. Sie ist nur so lange in Betrieb, bis der Motor warm ist. Die Verbrennung treibt den Kolben im dritten Takt oder Arbeitstakt zurück. Beim vierten Takt werden wie beim Ottomotor die Abgase ausgeschoben.
Der Wirkungsgrad eines Dieselmotors, der im übrigen von den gleichen Faktoren bestimmt wird wie beim Ottomotor, ist von Natur aus höher als der eines Ottomotors und liegt bei heute tatsächlich eingesetzten Motoren etwas über 40 Prozent. Im allgemeinen sind Dieselmotoren Kraftmaschinen mit niedriger Drehzahl. Die Kurbelwellendrehzahl liegt zwischen 100 und 750 Umdrehungen pro Minute. Ottomotoren haben dagegen meist Drehzahlen von 2 500 bis 5 000 Umdrehungen pro Minute. Es gibt aber auch Dieselmotoren mit höheren Drehzahlen (2 000 Umdrehungen pro Minute). Da das Verdichtungsverhältnis beim Dieselmotor bei 14:1 oder höher liegt, sind sie meist stabiler gebaut und damit schwerer als Ottomotoren.
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