Впервые эта конструкция была изобретена в Китае в I веке н.э., но использовалась она исключительно в колодцах и речных мельницах. Так же параллельно и независимо был изобретён и применён кривошипно-шатунный механизм (далее КШМ) в Древнем Риме в III веке н.э. на пилорамах (см. рис. 1)

В Средние века (IX – XII века) КШМ внедрился в такие простые бытовые приспособления как прядильный станок и точильный камень.

Первое зафиксированное в источниках применение КШМ в рабочем механизме можно считать насос мусульманского учёного Аль-Джазари (1206 год), который изображён на рис. 2. Ему же принадлежит первое зафиксированное применения коленчатого вала.

В первых попытках создания двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС) КШМ отсутствовал. Первым же применением КШМ (вместе с простым коленчатым валом) в ДВС можно считать газовый двигатель Ленуара (1860 г.).

Первая поршневая камера сгорания ДВС была создана и использована в 1804 г. в двигателе де Риваза Исааком де Ривазом (рис. 3).

Данный двигатель работал на смеси водорода (светильного газа) и кислорода, включал в себя цилиндр и поршень, которые в последствии стали основой нынешних видов ДВС только в изменённом виде.

До конца XIX века поршни и цилиндры всех ДВС были очень схожи с поршнями и цилиндрами паровых машин, т.к. в тот временной период видимой эффективной и эксплуотационной разницы между этими семействами тепловых машин не были очевидны, но с созданием двигателей, работающих по современным тепловым циклам (двигатели Отто и Дизеля) в конце XIX, начале XX века конструктивные особенности паровых машин и ДВС начали радикально отличаться. Основная причина тому стала вытеснение применения газового топлива в ДВС жидкостным топливом.

Первый ДВС, двигатель де Риваза (рис. 3) не обладал автоматизированной системой подачи топлива. Подача светильного газа и воздуха из баков осуществлялись вручную с помощью вентилей, что было крайне неудобно. Но к тому моменту уже существовали механизмы парораспределения в паровых двигателях, но впервые подобный механизм в ДВС был применён в 1860 г. в двигателе Ленуара (рис. 4). Двигатель Ленуара тоже работал на светильном газе и обладал системой подачи рабочего тела схожее с паровыми машинами (золотниковый тип подачи), только, вместо пара, рабочим телом выступали продукты сгорания светильного газа и воздуха, подаваемые из газогенератора.

Первой традиционной для автомобилестроения клапанной системой газораспределения стала система подачи топлива в двигателе Отто, созданного в 1876 г. (рис. 5), в котором клапаны впуска и выпуска рабочей смеси и отработанных газов приводились в движение от червячной передачи, берущей мощность от главного КШМ. Конструкции золотниковых клапанов и червячная передача в будущем были замены на привычные нам тарельчатые клапана и распределительные валы с зубчатыми или цепными передачами, но принцип остался неизменным.

Изначально в первых ДВС для смазки применялись органические смазки из китового жира, касторового, рапсового или арахисового масел. Первым в мире специальным моторным маслом стала смазка на основе нефти, запатентованная американским доктором Джоном Эллисом в 1873 году. Это было масло из тяжёлых фракций нефти, вязкое и водоотталкивающее, оно отлично подходило для паровых машин, но с появлением высокооборотных ДВС оно перестало удовлетворять требованиям новых передовых двигателей для транспорта.

К 30-40 годам XX века в подавляющем большинстве ДВС использовалось минеральное нефтяное масло, однако оно было неидеальным, приходилось разбирать и чистить двигатель каждые 1000 км пробега из-за образования нагара и продуктов разложения масла под действием высоких температур.

После Второй Мировой в обширное использование вошли масла с различными присадками, которые и можно назвать моторными маслами в современном понимании.

Первый серийный ДВС, двигатель Ленуара, обладал двухтактным циклом и был оппозитным. Это первый ДВС, но его рабочий цикл (рис. 6) не прижился в автотранспорте, ибо первые модели, работающие по данному циклу, были громоздки и походили на паровые машины.

Первым серийным ДВС с классическим четырёхтактным циклом стал двигатель Отто (1876 г.). По циклу Отто (рис. 7) по сей день работают большинство бензиновых двигателей. Так же этот цикл можно назвать как «цикл с принудительным поджогом горючей смеси».

Второе крупное семейство ДВС, это дизельные двигатели или «двигатель с воспламенением от сжатия», работающие по циклу Тринклера (рис. 9). Впервые этот цикл был реализован на двигателе Дизеля в 1897 году, этот двигатель работал по одноимённому циклу (рис. 8), но все достоинства этой системы ДВС в полной мере раскрыл Тринклер в (серийное производство с 1899 г.), благодаря чему дизельные двигатели (работающие по циклу Тринклера) до сих пор являются равными конкурентами бензиновым двигателям, работающим по циклу Отто.

Первые ДВС работали на светильном газе (водород) и не требовали системы зажигания, т.к. топливо самовоспламенялось от контакта с воздухом (кислородом). Первая острая необходимость в подобной системе возникла, когда исследователи и изобретатели начали искать возможность использования топлива альтернативного газовому - уголь, спирт, нефть, бензин, керосин и дизель. Начались поиски способов принудительного воспламенения рабочей смеси. В первом двигателе Отто, работающем на нефти, воспламенение производилось с помощью подачи запальной дозы топлива на постоянно работающую газовую горелку, которая в свою очередь поджигала всю рабочую смесь. Эта сложная и неэффективная система не прижилась в двигателях Отто, потому первые массовые двигатели с его рабочим циклом были всё так же на светильном газе. В первом настоящем бензиновом двигателе, созданном в 1883 году Готтлибом Даймлером и Вильгельмом Майбахом, применялось калийное зажигание. Перед началом работы из двигателя доставали свечу и нагревали её в течении 15 минут, затем данную свечу вставляли в камеру сгорания, и в момент работы топливо-воздушная смесь подавалась прямо на эту раскалённую свечу, от чего происходило воспламенение. Данная система зажигания просуществовала вплоть до 1902 года, когда Роберт Бош изобрёл первую электро-магнитную свечу зажигания, после чего калийные свечи быстро вышли из употребления в бензиновых двигателях.

Первые ДВС работали на газовом топливе, причиной тому было отсутствие конструктивной возможности создание приемлемой топливо-воздушной смеси с применением жидкого топлива. Первые попытки применения жидкого топлива (керосин, бензин, дизель) заканчивались неудачей т.к. топливо сперва испаряли, а затем смешивали с воздухом, но данный процесс был нестабилен, очень медленный и пожароопасный (т.к. для ускорения процесса испарения топливо подогревалось). Зелёный свет применению жидкого топлива, конкретно бензина, в ДВС дало создание в 1893 г. Донатом Бланки карбюратора с жиклёром (рис. 10), который не испарял бензин, а равномерно разбрызгивал его в набегающий поток воздуха. Тем самым все необходимые комплектующие для создания современного бензинового двигателя были готовы.

Отдельным и в своё время революционным методом подачи топливо в рабочую камеру цилиндра стал инжектор или форсунка. Самое первое применение форсунки было в двигателе Тринклера, так же известного как «Русский дизель». Он работал по циклу Дизеля и впервые применял для подачи топлива в камеру сгорания под давлением гидравлическую форсунку, что окончательно завершило формирование семейства дизельных двигателей.

Но применение топливных форсунок не ограничилось дизельными ДВС, начиная с 1936 г. (V-образный 12-цилиндровый двигатель Daimler-Benz DB 601. – первый серийный инжекторный бензиновый двигатель в истории) и в течении всей второй половины XX века конструкторы и учёные вынашивали идею о использовании принудительной подачи топлива непосредственно в цилиндр и в бензиновом двигателе. Но данная схема не могла составлять нормальную конкуренцию карбюраторным двигателям вплоть до изобретения и широкого распростронения электронных блоков управления в ДВС (конец XX века, начало XI), благодаря чему выигрыш в эффективности, мощности и экономичности от перехода на непосредственный впрыск через форсунку стал несоизмеримо выше затрат по усложнению конструкции.