Топлинен двигател в който процеса на изгаряне се извършва в двигателя. Получената топлинна енергия се преобразува в механична и се предава на задвижващия механизъм. Горивото което използват този вид двигатели обикновено се произвежда от нефт и притежава достатъчна плътност на енергията. Двигателите с вътрешно горене се делят на няколко вида:
- бутален двигател, при него горивните камери са във вид на цилиндри а енергията от изгарянето на горивото се преобразува посредством бутала, той може да бъде - четиритактов, двутактов, бензинов, дизелов, на природен газ или пропан-бутан.
- роторен двигател или още познат като "Ванкелов двигател", при изгарянето си горивото задвижва бутало във вид на ротор, въртящ се в цилиндър със специална форма.
- двигатели с непрекъснато горене - такива са реактивните и газотурбинните двигатели.
