Ketika udara dikompresi suhunya akan meningkat (seperti dinyatakan oleh Hukum Charles), mesin diesel menggunakan sifat ini untuk proses pembakaran. Udara disedot ke dalam ruang bakar mesin diesel dan dikompresi oleh piston yang merapat, jauh lebih tinggi dari rasio kompresi
dari mesin bensin. Beberapa saat sebelum piston pada posisi Titik Mati
Atas (TMA) atau BTDC (Before Top Dead Center), bahan bakar diesel disuntikkan ke ruang bakar dalam tekanan
tinggi melalui nozzle supaya bercampur dengan udara panas yang
bertekanan tinggi. Hasil pencampuran ini menyala dan membakar dengan
cepat. Penyemprotan bahan bakar ke ruang bakar mulai dilakukan saat piston
mendekati (sangat dekat) TMA untuk menghindari detonasi. Penyemprotan
bahan bakar yang langsung ke ruang bakar di atas piston dinamakan
injeksi langsung (direct injection) sedangkan penyemprotan bahan bakar
kedalam ruang khusus yang berhubungan langsung dengan ruang bakar utama
dimana piston berada dinamakan injeksi tidak langsung (indirect
injection).
Ledakan tertutup ini menyebabkan gas dalam ruang pembakaran
mengembang dengan cepat, mendorong piston ke bawah dan menghasilkan
tenaga linear. Batang penghubung (connecting rod) menyalurkan gerakan ini ke crankshaft dan oleh crankshaft tenaga linear tadi diubah menjadi tenaga putar. Tenaga putar pada ujung poros crankshaft dimanfaatkan untuk berbagai keperluan.
Untuk meningkatkan kemampuan mesin diesel, umumnya ditambahkan komponen :
- Turbocharger atau supercharger untuk memperbanyak volume udara yang masuk ruang bakar karena udara yang masuk ruang bakar didorong oleh turbin pada turbo/supercharger.
- Intercooler untuk mendinginkan udara yang akan masuk ruang bakar. Udara yang panas volumenya akan mengembang begitu juga sebaliknya, maka dengan didinginkan bertujuan supaya udara yang menempati ruang bakar bisa lebih banyak.
Mesin diesel sulit untuk hidup pada saat mesin dalam kondisi dingin.
Beberapa mesin menggunakan pemanas elektronik kecil yang disebut busi menyala
(spark/glow plug) di dalam silinder untuk memanaskan ruang bakar
sebelum penyalaan mesin. Lainnya menggunakan pemanas "resistive grid"
dalam "intake manifold" untuk menghangatkan udara masuk sampai mesin
mencapai suhu operasi. Setelah mesin beroperasi pembakaran bahan bakar
dalam silinder dengan efektif memanaskan mesin.
Dalam cuaca yang sangat dingin, bahan bakar diesel mengental dan meningkatkan viskositas
dan membentuk kristal lilin atau gel. Ini dapat memengaruhi sistem
bahan bakar dari tanki sampai nozzle, membuat penyalaan mesin dalam
cuaca dingin menjadi sulit. Cara umum yang dipakai adalah untuk
memanaskan penyaring bahan bakar dan jalur bahan bakar secara elektronik.
Untuk aplikasi generator listrik, komponen penting dari mesin diesel adalah governor,
yang mengontrol suplai bahan bakar agar putaran mesin selalu pada
putaran yang diinginkan. Apabila putaran mesin turun terlalu banyak
kualitas listrik yang dikeluarkan akan menurun sehingga peralatan
listrik tidak dapat bekerja sebagaimana mestinya, sedangkan apabila
putaran mesin terlalu tinggi maka dapat mengakibatkan over voltage yang
bisa merusak peralatan listrik. Mesin diesel modern menggunakan
pengontrolan elektronik canggih untuk mencapai tujuan ini melalui modul kontrol elektronik (ECM) atau unit kontrol elektronik (ECU) - yang merupakan "komputer" dalam mesin. ECM/ECU menerima sinyal kecepatan mesin melalui sensor dan menggunakan algoritma dan mencari tabel kalibrasi yang disimpan dalam ECM/ECU, dia mengontrol jumlah bahan bakar dan waktu melalui aktuator elektronik atau hidraulik untuk mengatur kecepatan mesin.
