汽車發動機是復雜的機電一體化產物，為了實現由熱能到機械能的轉換，同時為了達到優異的性能指標，發動機包含有多個機構和系統。
盡管發動機生產廠家和年代不同有所差別。但就整體而言都是由機體組、曲柄連桿機構、配氣機構、進排氣系統、燃油供給系統、冷卻系統、潤滑系統、起動系統等組成。如果是汽油發動機還有點火系統，增壓發動機還有增壓系統。
1. 機體組
發動機機體組主要由機體、氣缸蓋、氣缸蓋罩蓋、氣缸襯墊、主軸承蓋以及油底殼等組成。
機體組是發動機的支架，是曲柄連桿機構、配氣機構和發動機各系統主要零部件的安裝機體。
氣缸蓋用來密封氣缸頂部，并與活塞和汽缸壁一起形成燃燒室。氣缸蓋和氣缸體內的水道和油道以及油底殼又分別是冷卻系統和潤滑系統的組成部分。
機體是氣缸體與曲軸箱的連鑄體是結構極為復雜的箱形零件在機體的前后壁和汽缸之間橫隔板上鑄有支撐曲軸的主軸承座或主軸承座孔以及滿足潤滑需要的縱、橫油道。在水冷發動機汽缸的外壁鑄有冷卻水套和布水室，以增強散熱。
2. 曲柄連桿機構
曲柄連桿機構是發動機的主要運動機構。其功能是將活塞的往返運動轉變為曲軸的旋轉運動，同時將作用于活塞上的力轉變為曲軸對外輸出的轉矩，以驅動汽車車輪轉動。曲柄連桿機構由活塞連桿組、曲軸飛輪組的零件組成。
活塞的主要功用是承受燃燒氣體壓力，并將此力通過活塞銷傳給連桿以推動曲軸旋轉。此外活塞頂部與汽缸蓋、汽缸壁共同組成燃燒室。
連桿組包括連桿體、連桿蓋、連桿螺栓和連桿軸承等零件。習慣上常常把連桿體、連桿蓋和連桿螺栓合起來稱作連桿，有時也稱連桿體為連桿。連桿組的功用是將活塞承受的力傳給曲軸，并將活塞的往復運動轉變為曲軸的旋轉運動。
曲軸的功用是把活塞、連桿傳來的氣體力轉變為轉矩，用以驅動汽車的傳動系統和發動機的配氣機構以及其他輔助裝置。
曲軸基本上由若干個單元曲拐構成。一個曲柄銷，左右兩個曲柄臂和左右兩個主軸頸構成一個單元曲拐。多缸直列式發動機曲軸的曲拐數與汽缸數相同。
3. 配氣機構
配氣機構的作用是按照發動機的工作順序和工作循環要求，定時開啟和關閉各氣缸的進、排氣門，使新氣（汽油機是汽油和空氣的混合氣體，柴油機是新鮮空氣）進入氣缸，廢氣排出氣缸。配氣機構有氣門傳動組和氣門組兩部分組成。
氣門傳動組主要包括凸輪軸、正時齒輪、正時鏈條/正時皮帶、挺柱及其導桿，推桿、搖臂和搖臂軸等，其作用是使進、排氣門按配氣相位規定的時刻進行開閉，并保證有足夠的開度。
氣門組包括氣門、氣門導管、氣門彈簧（部分發動機有內、外氣門彈簧）、氣門油封、上下氣門彈簧座、氣門鎖片等組成。氣門組安裝在氣缸蓋上，在凸輪軸、液壓挺柱、搖臂的作用下開啟和關閉。
4. 進排氣系統
進氣系統的功用是將新鮮氣體或純凈的空氣盡可能多的供入氣缸內,并盡可能使各氣缸進氣量保持一致，為各缸熱功轉換提供物質基礎。進氣系統一般包括空氣濾清器、進氣管道、進氣溫度壓力傳感器、渦輪增壓器（如裝配）、節氣門體等。
發動機排氣系統主要功用是排除氣缸內燃燒的廢氣。氣缸內燃燒后的廢氣經過排氣系統排出時具有一定的壓力脈動，不僅會造成排氣系統的震動同時還會產生排氣噪聲。因此為了降低排氣噪音一般車用發動機都采用排氣消聲器。排氣系統一般包括排氣歧管、三元催化轉換器、前后氧傳感器、消聲器和排氣管道等。
5. 燃油供給系統
燃油供給系統功用是根據發動機運轉工況的需要，向發動機供給一定數量的、清潔的、霧化良好的燃油。同時燃油工給系統還需要儲存相當數量的燃油，保證汽車有足夠的續航里程。
燃油供給系統主要由油箱、電動燃油泵、燃油分配管、燃油壓力調節器和噴油器等組成。
油箱的功用是用來儲存燃油，其數目、容量、形狀及安裝位置均隨車型而異。一般汽車油箱容量可滿足車輛續航500~800km。油箱一般是密閉的，采用鋼板或塑料制成。上部有加油口和加油蓋。油箱上裝有燃油泵、燃油量傳感器等。燃油泵的作用是將燃油從油箱里吸出，目前主要采用電動燃油泵。
6. 冷卻系統
冷卻系統的功用是使發動機在所有工況下都保持在適當的溫度范圍內。冷卻系統既要防止發動機過熱，又要在冬季防止發動機過冷。在發動機冷起動后，還要保證發動機快速升溫，盡快達到正常的工作任務。目前汽車發動機絕大多數采用水冷式冷卻系統。
汽車發動機水冷系統采用強制循環水冷，利用冷卻液泵力高冷卻液的壓力，強制另冷卻液在發動機中循環流動。
7. 潤滑系統
潤滑系統的功用就是在發動機工作時連續不斷地把數量足夠、溫度適當的潔凈機油輸送到全部傳動件的摩擦表面，并在摩擦表面之間形成油膜，實現液體摩擦，從而減小摩擦阻力、降低功率消耗、減輕機件磨損，以達到提高發動機工作可靠性和耐久性的目的。
8. 點火系統
汽油發動機汽缸內燃料與空氣的混合氣（可燃混合氣），在壓縮行程終了時采用高壓電火花點火。為了在汽缸中定時地產生高壓電火花，汽油發動機設置了專門的點火裝置，稱為發動機點火系統。
點火系統的基本功用是在發動機各種工況和使用條件下，在汽缸內適時、準確、可靠地產生電火花，以點燃可燃混合氣，使發動機作功。
9. 起動系統
通常把發動機曲軸在外力的作用下開始轉動到發動機自動怠速運轉的全過程稱為發動機起動過程。
起動系統的作用就是在正常使用條件下，通過起動機將蓄電池儲存的電能轉變為機械能帶動發動機以足夠高的轉速運轉，以順利起動發動機。
當發動機進入自行運轉狀態后，起動系統應立即與曲軸分離并停止工作，以防止發動機高速運轉時起動機產生很大離心力致使損壞。
