柴油发动机的工作过程基于四冲程循环，即进气、压缩、做功和排气冲程，每一个冲程都紧密相连，共同完成将柴油的化学能转化为机械能的任务，为设备提供强大的动力支持。
进气冲程拉开了工作循环的序幕。活塞在曲轴的带动下，从上止点向下止点运动，此时进气门开启，排气门关闭，气缸内的容积逐渐增大，压力降低，外界的新鲜空气在大气压力的作用下，通过进气管道被吸入气缸内。与汽油发动机不同，柴油发动机在进气冲程中只吸入纯净的空气，这为后续压缩冲程中产生高温高压环境奠定了基础。
随着进气冲程的结束，活塞迅速由下止点向上止点运动，进入压缩冲程。在这个过程中，进气门和排气门均处于关闭状态，气缸内的空气被活塞不断压缩，体积急剧减小，压力和温度则急剧升高。柴油发动机的压缩比非常高，通常在 16 - 22 之间，远高于汽油发动机，这使得压缩终点的压力可达 3.5 - 4.5MPa，温度更是高达 750 - 1000K ，而柴油的自燃温度约为 520K，这就为柴油的自燃创造了较为有利的条件。
当压缩冲程接近尾声时，做功冲程随即开始。此时，喷油泵将柴油的油压提升至 10MPa 以上，通过喷油器把柴油以雾化状态精准地喷入高温高压的气缸内。雾化后的柴油与高温空气迅速混合，形成可燃混合气，由于此时气缸内的空气温度已经远远超过柴油的自燃温度，混合气无需外界点火便能自行燃烧。瞬间，燃烧释放出巨大的能量，使气缸内的温度和压力进一步急剧升高，高温高压的燃气产生强大的推力，推动活塞从上止点向下止点快速运动，活塞的直线运动通过活塞销、连杆传递给曲轴，使曲轴获得动力开始旋转，从而将燃料的化学能成功转化为机械能，驱动车辆或其他设备运转。这种依靠压缩自燃的点火方式，是柴油发动机与汽油发动机在工作原理上的核心区别之一。在汽油发动机中，是通过火花塞产生电火花来点燃汽油和空气的混合气，而柴油发动机则巧妙地利用了压缩空气产生的高温来实现自燃，不仅简化了点火系统，还在一定程度上提高了能源利用效率。
最后，当活塞运动到下止点，做功冲程结束，排气冲程接踵而至。此时排气门开启，进气门关闭，活塞由下止点向上止点运动，将燃烧后的废气从气缸内排出到大气中。随着活塞的不断上行，气缸内的废气被逐步排出，直至活塞到达上止点，排气冲程结束，气缸内的废气基本排尽，为下一个工作循环的进气冲程做好充分准备。如此周而复始，柴油发动机持续稳定地运转，为各种设备源源不断地提供强劲动力 。