หลักการทำงานของเครื่องยนต์เบนซินนั้นส่วนใหญ่จะใช้วงจรสี่จังหวะ ได้แก่ ไอดี การบีบอัด การเผาไหม้ (กำลัง) และการระบายไอเสีย โดยกระบวนการเฉพาะมีดังนี้
จังหวะไอดี ลูกสูบเคลื่อนที่จากจุดศูนย์ตายบนไปยังจุดศูนย์ตายล่างโดยขับเคลื่อนด้วยเพลาข้อเหวี่ยง ในขณะนี้ วาล์วไอดีจะเปิด วาล์วไอเสียจะปิด และอากาศบริสุทธิ์ (ประกอบด้วยส่วนผสมของอากาศและน้ำมันเบนซินเป็นหลัก) จะถูกดูดเข้าไปในกระบอกสูบ
จังหวะอัด ลูกสูบเคลื่อนที่จากจุดศูนย์ตายล่างไปยังจุดศูนย์ตายบน ในเวลานี้ วาล์วไอดีและไอเสียจะปิด ก๊าซผสมในกระบอกสูบจะถูกอัด และอุณหภูมิและแรงดันจะเพิ่มขึ้น
จังหวะการเผาไหม้ (กำลัง) เมื่อจังหวะการบีบอัดใกล้ศูนย์ตายบน หัวเทียนจะสร้างประกายไฟฟ้าเพื่อจุดระเบิดก๊าซผสมที่ถูกอัด กระบวนการเผาไหม้ทำให้ก๊าซขยายตัวอย่างรวดเร็ว ก่อให้เกิดอุณหภูมิและแรงดันสูง ผลักดันลูกสูบให้เคลื่อนไปยังศูนย์ตายล่าง
จังหวะไอเสีย ลูกสูบเคลื่อนที่จากจุดศูนย์ตายบนไปยังจุดศูนย์ตายล่าง วาล์วไอเสียจะเปิดขึ้น และก๊าซไอเสียจะถูกปล่อยออกมาจากกระบอกสูบที่ขับเคลื่อนด้วยลูกสูบ
ในกระบวนการนี้ เพลาข้อเหวี่ยงจะแปลงการเคลื่อนที่แบบลูกสูบไปเป็นการเคลื่อนที่แบบหมุน จึงขับเคลื่อนก้านสูบและงานทางกลอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง นอกจากนี้ เครื่องยนต์ยังต้องการระบบหล่อลื่นเพื่อลดแรงเสียดทาน ระบบระบายความร้อนเพื่อควบคุมอุณหภูมิ และระบบจุดระเบิดเพื่อจุดระเบิดส่วนผสม