Dieselmoottorin toimintaperiaate on: paineilma synnyttää korkean lämpötilan ja korkean paineen, jolloin sumutettu diesel räjähtää ja laajenee. Paine vaikuttaa suoraan mäntään, työntää mäntää suorittamaan nopean lineaarisen edestakaisen liikkeen sylinteriä pitkin ja kulkee sitten kammen kiertokankimekanismin läpi. Männän lineaarinen liike muunnetaan kammen pyöriväksi liikkeeksi, mikä tuottaa mekaanista työtä.
Dieselmoottoreiden työprosessi on pitkälti sama kuin bensiinimoottoreilla. Jokainen työjakso käy läpi myös neljä imu-, puristus-, teho- ja pakotahtia. Koska dieselmoottoreissa käytetty polttoaine on kuitenkin dieseliä, sen viskositeetti on korkeampi kuin bensiinillä eikä sitä ole helppo haihtua, ja sen itsesyttymislämpötila on alhaisempi kuin bensiinin. Siksi palavan seoksen muodostus- ja sytytysmenetelmät eroavat bensiinimoottoreiden vastaavista.
