Trước hết cả 2 loại động cơ này đều giống nhau ở việc sử dụng nhiên liệu hóa lỏng (khác biệt một vài loại động cơ sử dụng khí ga, hoặc dùng pin). Động cơ thực hiện 4 hành trình (động cơ 4 kỳ - 4 thì) bao gồm hút – nén – nổ - xả tương ứng với 2 chu kì quay của trục khủy động cơ.
Sự khác biệt cơ bản nhất của 2 loại động cơ này ở 3 yếu tố: Loại nhiên liệu sử dụng, cơ cấu buồng đốt và hiệu năng sử dụng
Động cơ xăng sử dụng nhiên liệu xăng được đặc trưng bởi trị số octan (trị số chống kích nổ), trị số này càng cao thì tính chống kích nổ càng cao.
Hiện nay, ở nước ta có 4 loại xăng có trị số octan khác nhau: A95 có trị số octan 95 dùng cho các động cơ xăng có tỷ số nén trên 9,5:1; A92 có trị số octan 92 dùng cho các động cơ có tỷ số nén 9,5:1; A83 có trị số octan 83 sử dụng cho các động cơ có tỷ số nén 8:1, tuy nhiên hiện nay loại xăng này đã không được sử dụng; loại cuối cùng là xăng sinh học E5, một hỗn hợp của xăng A95 pha 5% ethanol.
Trong khi đó, động cơ diesel sử dụng dầu diesel được đặc trưng bởi trị số cetan (trị số tự cháy) và trên thị trường hiện nay loại được sử dụng phổ biến là DO 0,05%S. 
Chính đặc tính khác nhau của xăng và diesel mà hệ thống cung cấp nhiên liệu của hai loại động cơ này khác nhau căn bản.
Đối với động cơ xăng dùng chế hòa khí hoặc phun xăng điện tử đơn thuần thì hỗn hợp xăng/không khí được hòa trộn trước khi đi vào buồng cháy.
Còn ở động cơ Diesel, hỗn hợp cháy được hòa trộn trực tiếp bên trong buồng cháy.
Ở động cơ xăng, hỗn hợp cháy được đưa vào động cơ để thực hiện hành trình nén và được kích nổ nhờ bu-gi đánh lửa tạo quá trình cháy, dãn nở và sinh công. Do đặc điểm như vậy nên động cơ xăng có thêm hệ thống đánh lửa. Đối với động cơ diesel, sau khi kim phun nhiên liệu thực hiện phun với tốc độ và áp suất cao kết hợp với buồng xoáy lốc trên đỉnh piston tạo ra hỗn hợp cháy. Hỗn hợp này được nén với tỷ số nén cao và tự bốc cháy, dãn nở và sinh công.
Trên cùng một dòng xe của một nhà sản xuất nào đó, nếu có hai lựa chọn động cơ là xăng và diesel với dung tích xy-lanh tương đương, thì mỗi loại đều có những ưu thế của riêng mình. Động cơ xăng thường đạt số vòng tua cao nhanh hơn và có công suất lớn hơn, nên gia tốc tốt hơn. Trong khi đó, động cơ diesel thường có số vòng quay cực đại thấp, gia tốc thấp hơn động cơ xăng nhưng có mô-men xoắn cao hơn nên sức kéo lớn hơn ở số vòng tua máy thấp hơn.
Hiệu suất của động cơ diesel lớn hơn khoảng 1,5 lần so với động cơ xăng. Nhiên liệu diesel thường rẻ hơn xăng, 1 lít diesel khi cháy hoàn toàn nhận được khoảng 8.755 calo trong khi 1 lít xăng cháy hoàn toàn cho khoảng 8.140 calo. Suất tiêu hao nhiên liệu của động cơ diesel là 200-285g/kWh nhỏ hơn của động cơ xăng là 260-380g/kWh.
Tuy nhiên, ngoài những ưu điểm trên thì động cơ diesel còn tồn tại một số hạn chế so với động cơ xăng: nếu so sánh hai loại động cơ xăng và diesel có cùng công suất thì trọng lượng động cơ diesel lớn hơn động cơ xăng; tỷ số nén của động cơ diesel lớn, vật liệu và công nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu (bơm cao áp) đòi hỏi cao hơn, do đó động cơ diesel đắt tiền hơn động cơ xăng; tốc độ động cơ diesel thấp hơn động cơ xăng; độ ồn lớn và khí thải của động cơ diesel chứa nhiều muội than hơn của động cơ xăng.
Trong tương lai, trên các dòng xe sang, việc sử dụng động cơ xăng vẫn là chủ yếu do tính ưu việt là động cơ làm việc êm, gia tốc lớn. Các nghiên cứu nhằm cải thiện công suất và khả năng tiết kiệm nhiên liệu trên động cơ xăng đang ngày càng được hoàn thiện như hệ thống phun xăng trực tiếp (GDI), hệ thống đánh lửa nhiều lần, cơ cấu phối khí thông minh. Ngoài ra, một xu hướng cũng đang phát triển khá mạnh mẽ là sử dụng động cơ hybrid.
Tỷ số nén, vật liệu và công nghệ chế tạo hệ thống cung cấp nhiên liệu đòi hỏi cao hơn do đó động cơ diesel đắt tiền hơn động cơ xăng.
Động cơ diesel với ưu điểm nổi trội là sức kéo lớn, đặc biệt là các chi tiết của động cơ có tuổi thọ và độ bền cao, nên động cơ diesel luôn được các nhà khoa học hướng tới để nghiên cứu nhằm khắc phục những hạn chế.
Những hướng nghiên cứu chính để hoàn thiện động cơ diesel tập trung vào nâng công suất, nâng số vòng quay tối đa và giảm rung động. Để đạt được mục tiêu trên các chuyên gia đưa hệ thống turbo máy nén vào để nâng cao áp suất và lượng không khí trong buồng đốt dẫn đến nâng cao công suất của động cơ. Mặt khác, hệ thống Common Rail (CDI) (như trên mẫu Mercedes GLK hay Mitsubishi Triton) có khả năng hoàn thiện quá trình phun nhờ điều khiển bằng điện tử và làm tơi nhiên liệu (tăng áp suất phun) giúp quá trình cháy được hoàn hảo hơn.