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.