自18世纪以来，蒸汽机作为一种强大的工业动力，不断得到改进，直接推动了第一次工业革命。特别是蒸汽机导致了火车和轮船的发明，在交通运输业中得到了广泛迅速的应用。然而蒸汽机本身存在着许多固有的缺点，体积庞大，安全性差，热效率低（热效率一般仅5%~8%），使其应用受到了很大限制，因此，急需一种新型动力替代蒸汽机。要克服蒸汽动力的不足就必须从燃料做功的途径入手，显然，减少能量转换环节的内燃机是发展方向。
在技术史上，最早构思内燃机的是著名物理学家惠更斯，他利用火炮原理进行动力机械的研究给了人们重要启示，甚至可以说火炮是内燃机的雏形。但当时的技术条件下，内燃机还无法实用化。随着科学技术的进步，到19世纪中叶，内燃机终于获得了发展契机，概括起来，主要有三个条件：机械制造工艺的发展；热机理论的完善；轻质化学燃料的出现。
蒸汽机适应性较强，能够使用各种固体的、相对劣质的燃料，而内燃机的关键在于找到一种适于在汽缸内直接燃烧做功的轻质燃料。第一种燃料是英国的蒸汽动力先驱默多克于1792年发现的，这就是由煤炭的干馏过程中获得的可燃煤气。
煤气出现后，一些工程师、发明家投身于煤气内燃机的探索中。1860年，法国技工雷诺（1822—1900）汲取了此前内燃机的研制成果，制成了第一台实用内燃机。雷诺的发明与一台单缸卧式蒸汽机几乎一样，以煤气代替蒸汽，是一台二冲程、无压缩、电点火的煤气机，功率1~2马力，效率仅达到4%。雷诺的煤气内燃机运转平稳，造价便宜，可以实用，吸引了不少客户和访问者，人们开始认真考虑用内燃机取代蒸汽机的可能性。
其后，随着热力学理论的发展，法国工程师德罗夏在对内燃机的热力过程进行理论分析后，提出了提高内燃机效率的关键措施，即预先压缩空气和可燃气的混合物。1862年，德罗夏提出了设计制造高效率内燃机的四冲程循环原理，奠定了现代内燃机的理论基础。
德罗夏的四冲程原理是由德国人奥托（1832—1891）率先实现的。1854年，奥托就开始研制内燃机了，一直未取得突破。在接触到德罗夏理论后，1876年，奥托研制出第一台四冲程内燃机并获得专利。奥托内燃机为单缸卧式，结构紧凑，其热效率达到空前的14%。1877年，奥托内燃机在巴黎博览会上展出，便很快得到推广。奥托一生都致力于内燃机研究，后来他的煤气内燃机热效率达20%以上，被认为是实用内燃机的真正发明者。
内燃机被不断改进和完善，但作为内燃机的燃料，煤气热值低，不易贮运，难以控制，所以人们开始寻找更好的液体燃料以替代煤气。1859年，美国采矿工程师德莱克在宾夕法尼亚州利用地下取盐的钻机打出了世界上第一口工业油井，由此大规模开采提炼石油开始了，为内燃机的进一步发展提供了适合的轻质液体燃料——汽油。
在奥托成功地研制出四冲程活塞式内燃机之后，他创立了德意志煤气发动机股份公司，其合作者德国人戴姆勒（1834—1900）在奥托内燃机的基础上，改用热值更高的汽油作燃料，于1883年成功地研制出第一台现代四冲程往复式汽油发动机。其中的关键部分是戴姆勒发明的气化器，发动机转数由煤气机的每分钟200转迅速提高到900转，输出动力远高于煤气机。1889年，戴姆勒又制成了V型双缸汽油机，用于汽车并获得了专利。
汽油仅是石油中的轻质部分，作为燃料驱动内燃机获得成功后，人们又开始探索石油中重油成分的用途，于是又一种重要燃料提炼出来了，这就是价格更便宜的柴油。
1892年，德国机械工程师狄塞尔（1858—1913）发明了柴油机，功率13马力。这是一种不用点火装置的压燃式四冲程内燃机，由于用燃点较高的石油分馏物作燃料，它不会造成爆震。它延长了燃烧前的压缩过程，增大压缩比，仅依靠压缩产生的热点燃雾化燃料，使热效率大幅度提高到27%~32%，取得了内燃机技术的重大突破。因此，柴油机亦称“狄塞尔”内燃机。
1897年，柴油机在慕尼黑展览会上展出，受到极大关注，于是，狄塞尔开办了自己的工厂，生产销售这种柴油发动机，很快成了富翁。由于新型发动机技术还不够成熟，第一批产品运转不良，用户纷纷退货。狄塞尔和他的柴油机一时声名狼籍，使得狄塞尔不仅赔光了资产，而且负债20万美元。面对这一打击，狄塞尔悲观之极，自杀身亡。但狄塞尔柴油机简单可靠，动力充沛，热效率高的优点仍然不断完善，经过30年的发展，广泛应用于大型卡车、拖拉机、船舶及机车等，成为重型运输工具中无可替代的原动机。
狄塞尔机的问世，标志着往复活塞式内燃机的发明基本完成。此后，又出现了燃气轮机、旋转式活塞发动机等新型内燃机。
正如蒸汽动力的应用推动了第一次技术革命一样，内燃机作为一种全新动力，与电力一起掀起了第二次技术革命的高潮。内燃机问世后，立即在社会经济、军事中获得了广泛的应用，深刻影响了人类文明的现代化进程。对农业和交通运输业来说，内燃机的重要性甚至超过了电力。
但内燃机的诞生也具有二重性影响。在我们广泛享受内燃机的优点时，又面临着使用内燃机过程中日益暴露的一些难以克服的矛盾。
内燃机废气造成了严重的大气污染和噪声污染，使人类健康受到了严重威胁。再次，内燃机的主要产物是二氧化碳，导致大气中二氧化碳含量日益增加，对地球的生态平衡产生了长远而严重的影响。为此，人类正在对新型动力机进行探索，如热气发动机、氢气发动机、磁流体发动机、原子能发动机、太阳能发动机、燃料电池等等。
第二次技术革命以电力技术的研究与应用开始，以一系列电讯技术和内燃机的发明应用为高潮，科学的影响全面深入地渗透到社会经济各个领域，成为引领文明发展的原动力。18世纪以前，科学和技术相对独立发展，甚至技术发展推动科学研究的状况被完全打破了。19世纪的科学发展历程表明，随着社会需求的发展，所要解决的科学技术课题日益复杂，任何一种技术都不可能孤立发展，各种技术间总是相互依存、渗透、促进，甚至需要科学走在技术发明的前面引领其发展。无线电通讯技术的诞生可以说归功于伟大的麦克斯韦所做出的前瞻性贡献。而内燃机的诞生，就需要金属材料技术的发展，需要各种新型精密机械加工手段，也需要有石油工业提供轻质能源。只有创造各种历史契机，使之交汇在一起，才能使新技术诞生。