自19世纪60年代诞生以来，活塞式内燃机经历了持续的改进和发展，已经成为一种相当成熟的机械。它以其高热效率、宽广的功率和转速范围、便捷的配套性以及良好的机动性而获得了广泛应用。全球各种汽车、拖拉机、农业机械、工程机械、小型移动电站和战车，以及海上商船、内河船舶和常规舰艇，某些小型飞机等动力设备，都采用内燃机作为推进力。内燃机的保有量在动力机械中位居首位，对人类活动起着至关重要的作用。
活塞式内燃机的起源可以追溯到使用火药爆炸获取动力的尝试，但由于火药燃烧难以控制，这一尝试并未成功。1794年，英国人斯特里特提出了从燃料燃烧中获取动力的想法，并首次提出了燃料与空气混合的概念。1833年，英国人赖特提出了一个直接利用燃烧压力推动活塞作功的设计。此后，虽然各种内燃机的设计方案不断提出，但在19世纪中叶之前，这些设计并未真正投入使用。直到1860年，法国的勒努瓦借鉴了蒸汽机的结构，制造出了第一台实用的煤气机，这是一种无压缩、电点火、使用照明煤气的内燃机。勒努瓦在内燃机中首次采用了弹力活塞环，这台煤气机的热效率约为4%。
英国的巴尼特曾主张在点火前对可燃混合气进行压缩，并有人详细阐述了压缩对提高内燃机效率的重要性。1862年，法国科学家罗沙对内燃机的热力过程进行了理论分析，并提出了提高内燃机效率的要求，这是最早的四冲程工作循环。1876年，德国发明家奥托基于罗沙的原理，制造出了第一台四冲程内燃机，该内燃机采用煤气为燃料，采用火焰点火，转速为156.7转/分，压缩比为2.66，热效率达到14%，运行平稳。这是当时功率和热效率最高的内燃机。
1880年，单机功率达到11-15千瓦（15-20马力），到1893年又提高到150千瓦。随着压缩比的提高，热效率也相应增加，1886年热效率为15.5%，1897年已高达20-26%。1881年，英国工程师克拉克研制成功了第一台二冲程煤气机，并在巴黎博览会上展出。随着石油的开发，汽油和柴油因其较煤气更易于运输和携带而受到关注。1883年，德国的戴姆勒创制了第一台立式汽油机，特点是轻型和高速，转速可达800转/分，特别适合交通机械的要求。
1885-1886年，汽油机作为汽车动力成功运行，大大推动了汽车的发展。同时，汽车的发展也促进了汽油机的改进和提高。不久，汽油机也开始用于小型船只。1892年，德国工程师狄塞尔受面粉厂粉尘爆炸的启发，提出了将吸入气缸的空气高度压缩，使其温度超过燃料自燃温度的设想，然后用高压空气将燃料吹入气缸使其燃烧。他首创的压缩点火式内燃机（柴油机）于1897年研制成功，为内燃机的发展开辟了新道路。狄塞尔试图使内燃机实现卡诺循环以获得最高热效率，实际上做到的是近似的等压燃烧，热效率达26%。
压缩点火式内燃机的问世引起了世界机械业的极大兴趣，并以发明者的名字命名为狄塞尔引擎。这种内燃机后来大多使用柴油为燃料，因此又称为柴油机。1898年，柴油机首先用于固定式发电机组，1903年用作商船动力，1904年装于舰艇，1913年第一台以柴油机为动力的内燃机车制成，1920年左右开始用于汽车和农业机械。
早在活塞式内燃机诞生之前，人们就尝试过创造旋转活塞式的内燃机，但都未能成功。直到1954年，联邦德国工程师汪克尔解决了密封问题，于1957年研制出旋转活塞式发动机，即汪克尔发动机。这种发动机具有近似三角形的旋转活塞，在特定型面的气缸内旋转运动，按照奥托循环工作。这种发动机功率高、体积小、振动小、运行平稳、结构简单、维修方便，但由于燃料经济性较差、低速扭矩低、排气性能不理想，因此只在个别型号的轿车上得到采用。
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