柴油机必须经过进气、压缩、膨胀、排气四个热力过程之后，才能恢复到起始状态，使柴油机不断地产生机械功，上述四个热力过程称为一个工作循环。
进气冲程
进气冲程的目的是吸入新鲜空气，为燃料燃烧做好准备。要实现进气，缸内与缸外要形成压差。因此，此冲程排气门关闭，进气门打开，活塞由上止点向下止点移动，活塞上方的汽缸内的容积逐渐扩大，压力降低，缸内气体压力低于大气压力约68-93kPa。在大气压力的作用下，新鲜空气经进气门被吸入汽缸，活塞到达下止点时，进气门关闭，进气冲程结束。
压缩冲程
压缩冲程的目的是提高汽缸内空气的压力和温度，为燃料燃烧创造条件。由于进、排气门都已关闭，汽缸内的空气被压缩，压力和温度亦随之升高，其升高的程度，取决于被压缩的程度，不同的柴油机略有不同。当活塞接近上止点时。缸内空气压力达3000-5000kPa，温度达500-700℃，远超过柴油机的自燃温度。
膨胀（作功）冲程
当活塞上行将终了时，喷油机开始将柴油喷入汽缸，与空气混合成可燃混合气。并立即自燃，此时，汽缸内的压力迅速上升到约6000-9000kPa，温度高达1800-2200℃。在温度、高压气体的推动作用下，活塞向下止点运动并带动曲轴旋转而作功。随着气体膨胀活塞下行其压力逐渐降低，直到排气门被打开为止。
排气冲程
排气冲程的目的是清除缸内的废气。做功冲程结束后，缸内的燃气已成为废气，其温度下降到800-900℃，压力下降到294-392kPa。此时，排气门打开，进气门仍关闭，活塞从下止点向上止点移动，在缸内残存压力和活塞推力的作用下，废气被排出缸外。当活塞又到上止点时，排气过程结束。