Lukumäärällisesti yleisimmät polttomoottorityypit ovat otto- ja dieselmoottori, jotka ovat saaneet nimensä keksijöidensä mukaan. Ottomoottori sai nimensä keksijänsä saksalaisen Nikolaus Otton mukaan. Harvoja poikkeuksia lukuun ottamatta kaikissa autoissa, useimmissa laivoissa ja muissa kuin sähkökäyttöisissä junissa, käytetään otto- tai dieselmoottoria. Moottorin sylinteriin syötetään bensiinin ja ilman seosta ja tämä sytytetään kipinällä, jolloin seos palaa räjähdysmäisesti aiheuttaen palotilaan paineen joka työntää mäntää kohti kampiakselia. Männän liike työntää kiertokankea, mikä pakottaa kampiakselin pyörimisliikkeeseen. Kiertokangen liikkeen avulla mäntä imee uutta polttoaineseosta sylinteriin.

Polttomoottori on moottori, jossa liikkeen aikaansaamiseen käytetään jonkin palavan aineen (polttoaineen) moottorin sisällä palaessa tuottamaa energiaa. Polttomoottorien polttoaineina käytetään yleisesti bensiiniä ja dieselöljyä, ja joissain maissa myös etanolia. Polttoaineina voidaan käyttää myös kaasuja kuten nestekaasua, vetyä, biokaasua, puukaasua tai maakaasua. Palamisen aikana moottorissa muodostuu palamistuotteita, jotka poistuvat moottorista.

Polttomoottorin toiminta perustuu Carnot'n kiertoprosessiin, missä moottorin tila kiertää paine-tilavuuskoordinaatistossa suljettua sykliä, jolloin osa polttoaineen sisältämästä kemiallisesta energiasta muuttuu mekaaniseksi energiaksi. Syklin sisäänjäävä pinta-ala kuvaa moottorin hyödyntämää energiaa, ja se voidaan laskea rataintegraalilla.

Polttomoottoreita käytetään mm. useimmissa autoissa ja yleisilmailun lentokoneissa. Toimivan lentokoneen rakentamisen teki mahdolliseksi tuottamaansa tehoon nähden kevyt polttomoottori.