往復活塞式四沖程汽油機是德國人尼古拉·奧托於1876年在大氣壓發動機的基礎上發明並投入使用的。在進氣、壓縮、做功、排氣四個沖程中，發動機的熱效率從11%提高到14%，而發動機的質量卻下降了70%。
1892年，德國工程師魯道夫·迪塞爾發明了壓燃式發動機，實現了內燃機史上的第二次重大突破。由於壓縮比和膨脹比高，熱效率比當時其他發動機提高了壹倍。1956年，德國人F.ankel發明了轉子發動機，大大提高了發動機轉速。1964年，德國NSU公司首次在車輛上安裝了轉子發動機。
1926年，瑞士人A.Buchi提出了廢氣渦輪增壓理論，利用發動機排出的廢氣能量驅動壓氣機，對發動機進行增壓。20世紀50年代後，廢氣渦輪增壓技術開始逐步應用於汽車內燃機，極大地改善了發動機性能，成為內燃機發展史上的第三次突破。
1967年，德國博世公司首次推出了計算機控制的電子燃油噴射系統(EFI)，開創了電子控制技術在汽車發動機上的應用歷史。經過30年的發展，基於計算機的發動機管理系統逐漸成為汽車發動機，尤其是汽車發動機的標準配置。由於電子控制技術的應用，發動機的汙染物排放、噪聲和油耗大幅降低，動力性能得到提升，成為內燃機發展史上的第四次突破。
1971年，第壹輛裝有斯特林發動機的公交車開始運行。1972年，日本本田技術研究工業株式會社在市場上銷售了壹款復合渦流控制內燃機的思域轎車，打響了稀燃內燃機的第壹槍。這種發動機在普通發動機的燃燒室頂部增加了壹個錘式二次燃燒室。先點燃二燃室的濃混合氣，再將其火焰延遲到主燃室的稀混合氣中，使其全部燃燒做功，廢氣中的CO和HC很少，從而減少有害氣體的排放。
1967年，美國舉行了氫能汽車駕駛公開表演。氫車以80 km的時速行駛121 km，每次充氫10分鐘。這輛車有19個座位，由美國比林斯公司制造。