按结构分类
一台汽车发动机往往具有3个以上的汽缸，对于汽车发动机主要的分类方式是根据汽缸的布局及排列方式来划分。一般有直列、V型、W型以及水平对置等几种。
直列发动机(LineEngine)，它的所有汽缸均按同一角度肩并肩排成一个平面，它的优点是缸体和曲轴结构十分简单，而且使用一个汽缸盖，制造成本较低，尺寸紧凑。直列发动机稳定性高，低速扭矩特性好并且燃料消耗也较少，但缺点是功率较低，并且不适合6缸以上的发动机采用。
直列发动机在国产车中应用十分广泛，几乎所有中档以下国产车及采用四缸发动机的车型都是直列发动机。
经典实例：宝马公司一直是直列发动机的坚决拥护者，宝马的L6(直列六缸)发动机无论在技术含量、缸数上还是在性能表现上都可算是直列发动机的极致。宝马的顶级车型新7系轿车仍然有采用L6发动机的版本。
V型发动机，将所有汽缸分成两组，把相邻汽缸以一定夹角布置一起，使两组汽缸形成有一个夹角的平面，从侧面看汽缸呈V字形，故称V型发动机。
V型发动机的高度和长度尺寸小，在汽车上布置起来较为方便。尤其是现代汽车比较重视空气动力学，要求汽车迎风面越小越好，也就要求发动机盖越低越好。另外，如果将发动机长度缩短，便能为驾乘舱留出更大的空间。由于汽缸之间已相互错开布置，这便于通过扩大汽缸直径来提高排量和功率并且适合于较高的汽缸数。此外，V型发动机汽缸对向布置，还可抵消一部分振动，使发动机运转更平顺。
V型发动机的缺点则是必须使用两个汽缸盖，结构较为复杂、成本较高。另外其宽度加大后，发动机两侧空间较小，不易再安排其它装置。
目前国产的中高档车型中，不少采用V型6缸发动机，比如君威，帕萨特及奥迪A6等等。
经典实例：欧洲的豪华轿车往往采用8缸以上的V型发动机设计，比如劳斯莱斯的、奔驰顶级的S600轿车等都是V12发动机，而目前V型发动机最高可达到16缸，排量在10升以上。
W型发动机，W型发动机是德国大众专属发动机技术。将V型发动机的每侧汽缸再进行小角度的错开(如帕萨特W8的小角度为15度)，就成了W型发动机。或者说W型发动机的汽缸排列形式是由两个小V形组成一个大V形。严格说来W型发动机还应属V型发动机的变种。
W型与V型发动机相比可将发动机做得更短一些，曲轴也可短些，这样就能节省发动机所占的空间，同时重量也可轻些，但它的宽度更大，使得发动机室更满。
W型发动机最大的问题是发动机由一个整体被分割为两个部分，在运作时必然会引起很大的振动。针对这一问题，大众在W型发动机上设计了两个反向转动的平衡轴，让两个部分的振动在内部相互抵消。
经典实例：大众的旗舰车型辉腾以前由于没2缸发动机，而与同级别奔驰S600相比底气不足，而大众全新W12发动机则彻底改变了这一劣势，大众旗下的另两款豪华车：本特利新车GT和奥迪旗舰A8L6.0都将采用W12发动机。
水平对置发动机，如果将直列发动机看成夹角为0度的V型发动机，当两排汽缸的夹角扩大为180度，汽缸水平对置排列，就是水平对置发动机了。
水平对置发动机的最大优点是重心低。由于它的汽缸为“平放”，因此降低了汽车的重心，同时又能让车头设计得又扁又低。这些因素都能增强汽车的行驶稳定性。此外，水平对置的汽缸布局是一种对称稳定结构，这使得发动机的运转平顺性比V型发动机更好，运行时的功率损耗也是最小。
经典实例：水平对置发动机是日本富士汽车的招牌技术之一，采用水平对置发动机的富士WRX-STi车型是世界拉力赛场上的传奇车型，也是全球飚车族们梦寐以求的至爱。
转子发动机，传统发动机都是通过汽缸内活塞的往复运动最终驱动车子前进，发动机及气缸本身都是相对不动的，而转子发动机则是一种三角活塞旋转式发动机，它采用三角转子旋转运动来控制压缩和排放。转子发动机的优点十分明显，它尺寸较小，重量较轻，功率很大，并且振动和噪声极低。但是由于转子技术的复杂，使其制造成本极其高昂，耐用性也低于传统发动机。
经典实例：至今为止，将转子发动机技术成熟运用于市场产品的仅有马自达一家厂家。目前马自达赫赫有名RX-8跑车正是转子发动机技术的最新继承者。
按发动机布局划分
按照发动机在车身上的布局，还可以分成前置发动机、中置发动机以及后置发动机三种。
目前在国内车市所能看到的绝大部分车型都是采用的前置发动机，即发动机位车前轮轴之前。前置发动机的优点是简化了车子变速器与驱动桥的结构，特别是对于目前占绝对主流的前轮驱动车型而言，发动机将动力直接输送到前轮上，省略了长长的传动轴，不但减少了功率传递损耗，也大大降低了动力传动机构的复杂性和故障率。因外，将发动机置驾驶员的前方，在正面撞车时，发动机可以保护驾驶员免受冲击，从而提高了车的安全性。
与前置发动机相对应的是后置发动机，后置发动机往往对应于一些后轮驱动的大马力车型，典型车型为保时捷的911系列跑车。此外，还有一种布局便是中置发动机，即发动机位于汽车的前后轮轴之间，对于一些极端追求性能的车型而言，将发动机中置是一种最理想的方式，因为发动机的位置正好位于车子重心附近，而不是重量过于集中在车头或车尾，达到最佳的配重比，这将大大提高车子的操控性和行驶稳定性。包括法拉利、兰博基尼在内的不少经典跑车都采用的是中置发动机布局。
按燃料分类
柴油机与汽油机
汽车发动机按所使用的燃料进行分类，可以分为汽油机和柴油机。
汽油与柴油相比较，汽油的沸点低、容易汽化，汽油发动机通过气缸压缩，将吸入的汽油气化，并与缸内空气相混合，形成可燃混合气体，最后由火花塞放电点燃气体推动汽缸活塞作功；柴油的特点是自燃温度低，所以柴油发动机无需要火花塞之类的点火装置，它采用压缩空气的办法提高空气温度，使空气温度超过柴油的自燃测试，这时再喷入柴油、柴油喷雾和空气混合的同时自己点火燃烧。两种发动机相比较而言，一般来说，因为汽油发动机需要对汽油的喷入量、喷入时间以及点火时间控制得十分准确，因此结构往往比柴油机更复杂精密一些，而柴油机由于汽缸的压力大于汽油机，因而对材料的结构强度和刚度则要求更高一些。
从性能上说，汽油发动机的长处是最大功率及转速高，运转安静平顺，排放低，而柴油发动机的优点则是燃烧效率高、油耗低，并且低转速扭矩及最大扭矩远远超过汽油机。体现在驾驶感受上，人们会发现柴油驱动的轿车起步十分迅速，在山路及坡道上后劲十足，然后在中后段的加速性以及最高车速方面又会逊于同档次的汽油机版本。国内传统柴油机一直给人以体积笨重、振动噪声大以及排放污染严重的印象，因此国产轿车基本都采用汽油发动机，然而近年来，国外知名车商开始将一些最新的柴油机技术引入到中国，大大改善了国人对柴油机的偏见，譬如一汽大众刚刚推出TDI柴油发动机宝来，其环保性、动力性以及平顺性都不逊于汽油机，同时又具有柴油机特有的巨大扭力和超低油耗，市场前景十分看好。
