随着冶金技术和机器制造业的发展，蒸汽机本身也经历了许多改变。首先是加大了蒸汽压，使双向式无冷凝器蒸汽机得以出现。但是，随着工业生产的进一步发展，对动力机械要求也越来越高，相形之下，蒸汽机则越来越暴露出它固有的缺陷。传统的蒸汽机完全通过外燃的方式将热量转化为机械能。热量主要在气缸外流通，锅炉和烟囱几乎将大部分热量都散发出去了，因此它的热效率非常之低。当时蒸汽机的热效率一般都在5%～8%之间。此外，为了得到高温高压蒸汽，启动之前还需要一段时间的预热，使用起来很不方便。
外燃是提高热效率的固有障碍，因此很早就有人提出过内燃机的设想。蒸汽机的先驱、法国物理学家巴本一开始研究的正是以火药为燃料的内燃动力技术，但是内燃机对汽缸材料、活塞加工精度、内燃燃料等均有很高的要求。汽缸材料如不结实，则容易发生爆炸。活塞加工如不够精密，则不能产生应有的高压驱动力。当然最重要的还是燃料，它必须是气体或者至少是易于蒸发的液体，使废气易于排出气缸。这些条件在巴本的时代均不具备，所以他不可能实现他的设想。
早在1792年，作为蒸汽动力机车之先驱的英国工程师默多克，在煤的干馏过程中发现了可以燃烧的煤气。1850年，苏格兰科学家杨从煤和油页岩中提炼出了煤焦油。紧随其后，英国人格斯纳脱掉了沥青油液中的焦油成分，制成了煤油。1859年，美国人德莱克在宾夕法尼亚州打出了世界上第一口石油油井。有了煤气、煤油和石油，制造内燃机就有了可能性。
在蒸馏煤炭中生成的煤气成了一种廉价的燃料之后，发明家们马上注意到这是一种可以用来作为内燃材料的新燃料。1799年，法国工程师勒朋设计了一种以煤气作燃料，用电火花作为点火装置的内燃机。1820年，英国工程师西塞尔勾画了更完整的设计蓝图。他试图让煤气在气缸内燃烧产生高温气体，尔后冷却形成真空，由大气对活塞做功。这种设计思想还局限于大气机的框架。1833年，英国另一位工程师赖特提出了单靠燃烧气体的压力推动活塞做功的爆发式内燃机设计蓝图，结束了真空-大气机一统天下的历史。这些设计思想最后在法国发明家勒努瓦的手里得以首次实现。1860年，勒努瓦首次造出了一台用煤气作为燃料、用电火花作为点火装置的内燃机。世界历史上的第一台内燃机，一经造出就可以投入使用。勒努瓦用它装了一辆车子，还装了一只汽船，效果均很好。缺点是燃料消耗量很大，热效率只有4%，体积也很大。
1862年，法国工程师德罗夏总结卡诺的热机理论和内燃机的研制实践，提出了内燃机的四冲程循环理论。该理论指出，通过如下四个冲程（快速往复的过程），内燃热机可取得最大的热效率：第一冲程是外冲程即吸收冲程，通过汽缸向外运动造成的真空将混合气体燃料吸入气缸；第二冲程是内冲程即压缩冲程，通过汽缸的向内运动对进入汽缸里的燃料进行压缩，并在最后的瞬间点火，产生最大的爆炸力；第三冲程是外冲程也叫爆发冲程，它是由高压燃烧气体产生的巨大爆发力做功的过程；第四冲程是内冲程也叫排气冲程，它将已经燃烧的废气从气缸中排出去，为下一次第一冲程做准备。
德罗夏的四冲程理论，使内燃机的发展有了坚实可靠的科学理论基础，可惜在当时未立即引起注意。当时的发明家们还在苦苦试验。他们中有一位德国工程师叫奥托，从1854年就开始研制内燃机，但屡次失败。1876年年初，他偶然看到刊物上登载的德罗夏的四冲程理论，受到很大启发，决心以此理论为基础重新研制。年底，他造出了第一台以四冲程理论为依据的煤气内燃机。他首次发现，利用飞轮的惯性可以使四冲程自动实现循环往复，这就成功地将德罗夏的四冲程理论付诸实践。这台内燃机的热效率提高到了14%，转速达到了150～180转/分。
奥托继续试验和改进，内燃机的性能更趋稳定和完善。1880年，机器功率已由原来的4马力提高到20马力。他的公司生产的内燃机成了热门货。到了1890年，世界各地已到处是奥托公司的内燃机，大有取代蒸汽机之势。由于奥托声名大振，人们往往认为他就是四冲程理论的创始人，把四冲程循环称为奥托循环，而德罗夏往往不为人提及。
奥托内燃机采用煤气作为燃料，而煤气必须由煤气发生炉这样大的装置提供，这就产生了许多不便之处。例如，这种内燃机无法用在车、船这种远程移动性机械上。
无巧不成书。19世纪中叶以来，燃料工业正好发生了一次巨大的变革。1854年，美国工程师西里曼成功地发明了石油的分馏方法，汽油、煤油、柴油等优质燃油投入应用。1859年，美国人在宾夕法尼亚州打出了世界上第一口油井，从此开始了对石油的大量开采和利用。1883年，德国发明家戴姆勒成功研制了第一台以汽油为燃料的内燃机。由于汽油的燃烧值远远高于煤气，所产生的动力也远大于煤气内燃机。1892年，另一位德国工程师狄塞尔造出了一台用柴油作燃料的高压缩型自动点火内燃机。这种机器由于增加了压缩过程，使热效率进一步提高，达到27%～32%。从此，柴油机这种马力大、体积小、重量轻、效率高的新式动力机逐渐取代蒸汽机，成为工业上的主要动力机。
正像蒸汽机的发明及其实用化构成了第一次技术革命的主要内容一样，内燃机作为一种新的动力机械与电动机一起掀起第二次技术革命的高潮。20世纪为了服务于汽车和飞机的需要，内燃机一直在持续地改进和发展。最初的20年中，转速提高到了1000～1500转/分，为奥托机的7～10倍。为了降低重量功率比，出现了多缸制。戴姆勒发明汽车时的内燃机的重量功率比为200千克/马力，到19世纪90年代降至30千克/马力，20世纪初降到4～6千克/马力，被莱特兄弟用于飞机制造。到了20世纪20年代，重量功率比降到了1千克/马力左右。
随着内燃机重量马力比的下降，人类飞上天空的千年美梦开始成真。1903年，美国工程师莱特兄弟以一台8马力的汽油内燃机为引擎制造了一架飞机，并成功地在天上停留了59秒，飞行260米。飞机使人类进入了航空运输时代。
