柴油机是一种使用柴油作为燃料的内燃机，属于压缩点火式发动机。其工作原理是将吸入气缸的空气通过活塞运动压缩至高温，然后燃油雾状喷入高温空气中，形成可燃混合气并自动点火燃烧，燃烧释放的能量推动活塞并通过连杆和曲轴转换为机械功。
1897年，法裔德裔工程师狄塞尔成功研制了实用的四冲程柴油机，因其高效性而受到重视。初期的柴油机使用空气喷射燃料，主要用于固定作业。20世纪初，柴油机开始用于船舶，1905年出现了第一台船用二冲程柴油机。1922年，德国的博施发明了机械喷射装置，逐步取代了空气喷射。20世纪20年代后期，高速柴油机出现并开始用于汽车。到50年代，新型系列化、通用化的柴油机发展起来，柴油机进入专业化批量生产阶段。特别是废气涡轮增压技术的引入，使柴油机成为现代动力机械的重要组成部分。
柴油机可按多种特征分类，包括按转速分为高速、中速和低速；按燃烧室型式分为直接喷射式、涡流室式和预燃室式；按气缸进气方式分为增压和非增压；按气体压力作用方式分为单作用式、双作用式和对置活塞式；按用途分为船用柴油机、机车柴油机等。
柴油机的燃料主要是柴油，高速柴油机通常使用轻柴油，中低速柴油机则使用轻柴油或重柴油。燃油通过喷油泵和喷油器以高压喷入气缸，形成雾状与空气混合燃烧。柴油机还可以使用重质或劣质燃料，如原油和渣油，但需滤除杂质和水分，并对供油系统进行预热保温。某些燃烧室也可燃用轻质燃料如乙醇、汽油和甲醇，通过添加剂提高十六烷值或与柴油混合使用。气体燃料如天然气、液化石油气、沼气和发生炉煤气也可使用，这种情况下通常以气体燃料为主，少量柴油引燃，称为双燃料内燃机。
柴油发动机的燃烧过程分为四个阶段：着火延迟期，从燃料喷射到着火，包括物理和化学准备过程；速燃期，燃料几乎同时燃烧，放热速度高；缓燃期，燃料燃烧取决于混合速度，需加强空气扰动；后燃期，部分燃料未完全燃烧，应尽量避免。燃烧室的设计对柴油机性能至关重要，分为开式、半开式、预燃室式和涡流室式，前两类为直接喷射式，后两类为分隔式。