Prinsip kerja mesin bensin terutama didasarkan pada siklus empat langkah, yaitu hisap, kompresi, pembakaran (tenaga) dan pembuangan. Proses spesifiknya adalah sebagai berikut:
Langkah hisap. Piston bergerak dari titik mati atas ke titik mati bawah yang digerakkan oleh poros engkol. Pada saat ini, katup hisap terbuka, katup buang tertutup, dan udara segar (yang sebagian besar terdiri dari campuran udara dan bensin) dihisap ke dalam silinder.
Langkah kompresi. Piston bergerak dari titik mati bawah ke titik mati atas. Pada saat ini, katup masuk dan katup buang tertutup, gas campuran dalam silinder dikompresi, dan suhu serta tekanan meningkat.
Langkah pembakaran (daya). Saat langkah kompresi mendekati titik mati atas, busi menghasilkan percikan listrik, yang menyalakan gas campuran yang terkompresi. Proses pembakaran menyebabkan gas mengembang dengan cepat, menghasilkan suhu dan tekanan tinggi, mendorong piston untuk bergerak ke titik mati bawah.
langkah pembuangan. Piston bergerak dari titik mati atas ke titik mati bawah, katup pembuangan terbuka, dan gas buang dikeluarkan dari silinder yang digerakkan oleh piston.
Dalam proses ini, poros engkol mengubah gerakan bolak-balik piston menjadi gerakan putar, sehingga menggerakkan batang penghubung dan kerja mekanis terkait lainnya. Selain itu, mesin juga memerlukan sistem pelumasan untuk mengurangi gesekan, sistem pendingin untuk mengendalikan suhu, dan sistem pengapian untuk menyalakan campuran.