第一阶段：进气
柴油发动机的进气阶段主要是通过进气门将空气引入气缸内，随后活塞下行，将空气压缩至大约1/20的体积。与汽油发动机不同的是，柴油发动机不需要将混合气体预先混合，而是在压缩空气之后再喷入燃油。
第二阶段：压缩
在柴油发动机的压缩阶段，活塞上行，将压缩气体压缩至极限，此时气缸内的温度和压力都达到了极高的水平。这是柴油发动机的一个关键环节，因为只有在充分压缩空气之后，才能将燃油喷入气缸内。
第三阶段：燃烧
柴油发动机的燃烧阶段是通过喷油器将燃油雾化成小颗粒喷入气缸内，与高温高压的空气混合后自燃。在这个过程中，燃烧产生的高温高压气体将活塞推动向下运动，从而产生动力。同时，由于燃烧后产生的废气需要排出，所以排气阀门在这个过程中也被打开。
第四阶段：排气
在柴油发动机的排气阶段，废气会被排出气缸，同时进气门也会再次打开，准备进行下一轮工作。排气过程也有一些辅助设备，如涡轮增压器和废气再循环系统，这些设备可以提高柴油发动机的效率和性能。