當活塞在其第一次向下運動的過程（進氣衝程）中，燃料與空氣的混合體通過一個或者多個氣門注入氣缸。進氣門關閉，緊接著的壓縮衝程壓縮這種混合氣體（壓縮衝程）。
於是混合氣體在接近壓縮衝程頂點時被火花塞點燃。燃燒空氣爆炸所產生的推力迫使活塞向下做第三次運動（做功衝程）。第四次也就是最後一次衝程是排氣衝程，燃燒過的氣體通過排氣門排出氣缸。
通俗地講凸輪軸就是一個帶有幾個叫做凸輪的橢圓形突出體的圓柱，通過它的運動帶動氣門的運動。凸輪軸旋轉時，凸輪推動氣門（通常是通過叫做挺桿的中間部件）使之在相應的時間打開。氣門是用彈簧頂住的，當凸輪的突起不是正對著氣門時它是關閉著的。每個循環一個氣門只打開一次，也就是，曲軸旋轉兩周凸輪軸轉一周。上面圖示是雙頂置式凸輪軸發動機。
四衝程發動機比兩衝程的效率要高很多。不過需要相當多的可移動零件以及更高的製造技術。
連控軌道閥調速
大部分的四衝程發動機，氣門都是簡單地隨著彈簧的返回而關閉。隨著發動機轉速的提高，彈簧推動氣門開合的時間會有所改變，而這時間的改變不利於發動機的性能發揮。
這個問題的解決辦法之一是連控軌道閥（Desmodromic valve）調速系統。這個系統是用一個機械裝置調整氣門的開合。這樣就可以得到更高轉速的發動機。
一些設計用到額外的凸輪軸和搖桿。
這個系統的缺點是複雜程度高、成本高，有的製造商將其用在為機車發動機的杜卡迪系統。
