עקרון העבודה של מנוע בנזין מבוסס בעיקר על מחזור ארבע פעימות, שהוא יניקה, דחיסה, בעירה (כוח) ואגזוז. התהליך הספציפי הוא כדלקמן:
שבץ צריכה. הבוכנה נעה ממרכז המת העליון למרכז המת התחתון מונעת על ידי גל הארכובה. בזמן זה, שסתום היניקה נפתח, שסתום הפליטה נסגר ואוויר צח (המורכב בעיקר מתערובת של אוויר ובנזין) נשאב לתוך הצילינדר.
שבץ דחיסה. הבוכנה נעה ממרכז המת התחתון למרכז המת העליון. בשלב זה, שסתומי היניקה והפליטה סגורים, הגז המעורב בצילינדר נדחס והטמפרטורה והלחץ עולים.
מהלך בעירה (כוח). כאשר מהלך הדחיסה קרוב למרכז המתים העליון, המצת יוצר ניצוץ חשמלי, המצית את הגז המעורב הדחוס. תהליך הבעירה גורם לגז להתרחב במהירות, יוצר טמפרטורה גבוהה ולחץ גבוה, דוחף את הבוכנה לנוע למרכז המת התחתון.
מהלך הפליטה. הבוכנה נעה ממרכז המת העליון למרכז המת התחתון, שסתום הפליטה נפתח, וגז הפליטה יוצא מהצילינדר המונע על ידי הבוכנה.
בתהליך זה, גל הארכובה ממיר את התנועה ההדדית של הבוכנה לתנועה סיבובית, ובכך מניע את מוט החיבור ועבודה מכנית קשורה אחרת. בנוסף, המנוע זקוק גם למערכת שימון להפחתת החיכוך, מערכת קירור לשליטה בטמפרטורה ומערכת הצתה להצתת התערובת.