摩托车发动机的工作原理与汽车发动机相同。发动机由活塞、气缸体和气缸盖组成，气缸盖包含气门机构。火花点燃燃料与空气混合物时会引起爆炸，推动活塞在气缸体内上下移动。气门随之打开和关闭，以便燃料与空气混合物进入燃烧室。活塞的上下运动带动曲轴转动，将活塞的能量转变为旋转运动。通过变速器将曲轴的旋转力传递给摩托车的后轮。 通常依据三个特征对摩托车发动机进行分类：发动机的气缸数、燃烧室容量或动力循环的冲程数。
气缸
摩托车可有1-6个气缸。多年来，V-twin设计是美国、欧洲和日本摩托车工程师的选择。V-twin因两个气缸成V字形而得名，例如下面所示的经典哈雷戴维森V-twin发动机。注意哈雷戴维森V-twin中的45度°，其他制造商可变换此角度，以减少振动。
V-twin只是排列两个气缸的一种方式。如果要使活塞彼此相对，排列气缸时应选择反双型设计。而并列双缸发动机将活塞并排垂直放置。
当前，最流行的设计为四缸。这种设计运行更平稳，并且转速较两缸发动机更快。四个气缸可并排放置，或者呈V字型排列，V字型的两侧各有两个气缸。
容量
摩托车发动机燃烧室的大小与其输出功率直接相关。上限值约为1500cc(立方厘米)，下限值约为50cc。后一种发动机通常用于小型摩托车（机动自行车），其耗油量为每100公里2.35升，最快速度只能达到每小时48-56公里。
