Попытки создания тепловых двигателей предпринимались еще в древности, но первым успешным типом стал паровой двигатель XVIII века. Двигатель внутреннего сгорания, который появился в XIX веке как усовершенствование парового двигателя для многих применений, не может быть приписан какому-то одному изобретателю. Поршень, который, как считается, появился еще в 150 году до нашей эры, использовался металлургами в насосах для нагнетания воздуха. Система поршня и цилиндра стала основой парового двигателя, который довел этот компонент до высокой степени эффективности. Однако паровая машина страдала от низкого теплового КПД, большого веса и массы, неудобства в эксплуатации, что в первую очередь было связано с необходимостью сжигать топливо в отдельной от двигателя топке. Стало очевидно, что желательно иметь автономный силовой агрегат.
Еще в XVII веке несколько экспериментаторов впервые попытались использовать горячие газообразные продукты для работы насосов. К 1820 году в Англии был построен двигатель, в котором водородно-воздушная смесь взрывалась в камере. Затем камера охлаждалась, чтобы создать вакуум, действующий на поршень. Продажа таких газовых двигателей началась в 1823 году. Они были тяжелыми и грубыми, но содержали многие важные элементы более поздних, более успешных устройств. В 1824 году французский инженер Сади Карно опубликовал свой ставший классическим памфлет «Размышления о движущей силе тепла», в котором изложил фундаментальную теорию внутреннего сгорания. В течение следующих нескольких десятилетий изобретатели и инженеры создавали двигатели, в которых использовалось давление, создаваемое при сгорании топлива, а не вакуум, а также двигатели, в которых топливо сжималось перед сгоранием. Однако ни одному из них не удалось создать работоспособную систему. Наконец, в 1860 году Этьен Ленуар из Франции выпустил на рынок двигатель, работающий на осветительном газе и обеспечивающий вполне удовлетворительную работу. По сути, двигатель Ленуара представлял собой переделанную паровую машину двойного действия с золотниками для впуска газа и воздуха и выпуска отработанных продуктов. Хотя двигатель Ленуара развивал небольшую мощность и использовал только около 4 процентов энергии топлива, сотни таких устройств были использованы во Франции и Великобритании в течение пяти лет. Они использовались для приведения в действие водяных насосов и печатных станков, а также для выполнения некоторых других задач, требующих лишь ограниченной мощности.
Крупным теоретическим достижением стала публикация в 1862 году описания идеального рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания. Автор, французский инженер Альфонс Бо де Рошас, сформулировал следующие условия, необходимые для достижения оптимальной эффективности: максимальный объем цилиндра при минимальной поверхности охлаждения, максимальная скорость расширения, максимальный коэффициент расширения и максимальное давление воспламененного заряда. Он описал необходимую последовательность операций следующим образом: (1) всасывание в течение всего хода поршня, (2) сжатие в течение следующего хода, (3) воспламенение заряда в мертвой точке и расширение в течение следующего хода (силовой ход), и (4) выброс сгоревших газов в течение следующего хода. Таким образом, двигатель, описанный Бо де Рошасом, имел четырехтактный цикл, в отличие от двухтактного цикла (впуск-воспламенение и мощность-выпуск) двигателя Ленуара. Бо де Роша так и не построил свой двигатель, и четырехтактный двигатель не появлялся более десяти лет. Наконец, в 1876 году немецкий инженер Николаус А. Отто построил агрегат внутреннего сгорания на основе принципа Бо де Роша. (Фирма Отто, «Отто и Ланген», несколькими годами ранее выпустила и продала усовершенствованный двухтактный двигатель). Четырехтактный двигатель Отто сразу же завоевал успех. Несмотря на большой вес и низкую экономичность, за 17 лет было продано около 50 000 двигателей суммарной мощностью около 200 000 лошадиных сил, после чего началось быстрое развитие широкого спектра двигателей.
Восемь лет спустя Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, бывшие соратники Отто, разработали первый успешный высокоскоростной четырехтактный двигатель и изобрели карбюратор, который позволил использовать бензин в качестве топлива. Они использовали свой двигатель для приведения в движение велосипеда (возможно, первого в мире мотоцикла), а затем и четырехколесной повозки. Примерно в то же время другой немецкий инженер-механик, Карл Бенц, построил одноцилиндровый бензиновый двигатель, который привел в движение то, что часто считается первым практичным автомобилем. Двигатели, созданные Даймлером, Майбахом и Бенцем, в основе своей были такими же, как и современный бензиновый двигатель. Информацию о последующих усовершенствованиях и достижениях см. в разделе «Автомобиль».
