Ένας παλινδρομικός κινητήρας χρησιμοποιεί έμβολα για να μετατρέψει τη χημική ενέργεια σε μηχανική κίνηση. Αυτό το κάνει καίγοντας ένα καύσιμο και στη συνέχεια κατευθύνει το καυτό αέριο έτσι ώστε να σπρώξει ένα έμβολο. Το έμβολο είναι συνδεδεμένο με τέτοιο τρόπο ώστε να αρχίσει να περιστρέφει έναν κυκλικό στροφαλοφόρο άξονα. όταν το έμβολο φτάσει στο τέλος της διαδρομής του, θα επιστρέψει στην αρχική του θέση χωρίς να φέρει τον στροφαλοφόρο άξονα μαζί του. Ιστορικά, οι πιο συνηθισμένοι τύποι παλινδρομικών κινητήρων ήταν η ατμομηχανή και η μηχανή εσωτερικής καύσης. Η ισχύς που παρέχει ένας παλινδρομικός κινητήρας συνδέεται με τον συνολικό εσωτερικό όγκο των κυλίνδρων του.
Το πρώτο παράδειγμα παλινδρομικής μηχανής που ήταν σε ευρεία χρήση ήταν η ατμομηχανή. Στις αρχές του 19ου αιώνα, Βρετανοί μηχανικοί ανέπτυξαν σχέδια ατμομηχανών που παρείχαν αρκετή ισχύ για να ανταγωνιστούν τους υδάτινους τροχούς. Αυτή η ισχύς μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για διάφορους σκοπούς μακριά από τα ποτάμια – οι ατμομηχανές βρήκαν σύντομα το δρόμο τους σε εργοστάσια, σιδηροδρομικές ατμομηχανές και πλοία και αποτέλεσαν την κινητήρια δύναμη πίσω από την Πρώτη Βιομηχανική Επανάσταση.
Σε αυτές τις ατμομηχανές, ο άνθρακας καίγεται για να τροφοδοτήσει τη θερμότητα για να βράσει το νερό. Ο προκύπτων ατμός υψηλής πίεσης στη συνέχεια διοχετεύεται σε κύλινδρο με ένα έμβολο μέσα. Το έμβολο ωθείται στο άκρο του κυλίνδρου, περιστρέφοντας έναν στροφαλοφόρο άξονα μέσω μιας μπιέλας. Σε αυτό το σημείο, μια βαλβίδα κατευθύνει τον ατμό μακριά από τον κύλινδρο, έτσι ώστε να μην επενεργεί πλέον στο έμβολο. Τώρα που ο στροφαλοφόρος άξονας κινείται, η ορμή του μπορεί να μεταφέρει το έμβολο πίσω στην αρχική του θέση και ο κύκλος μπορεί να ξεκινήσει από την αρχή.
Ένας άλλος τύπος παλινδρομικού κινητήρα είναι ο κινητήρας εσωτερικής καύσης. Ένας κινητήρας εσωτερικής καύσης παίρνει τη θερμότητά του από ένα χημικό καύσιμο, όπως η βενζίνη, που καίγεται μέσα στους κυλίνδρους του. Οι βαλβίδες εισαγωγής επιτρέπουν στον αέρα να ρέει πριν καεί το καύσιμο. Ομοίως, οι βαλβίδες εξαγωγής επιτρέπουν στα αέρια να εξέρχονται από τον κινητήρα μετά την καύση. Τα καρμπυρατέρ ή, όλο και περισσότερο, τα μπεκ ψεκασμού καυσίμου, επιτρέπουν τη σωστή ανάμειξη καυσίμου και αέρα για ιδανική καύση.
Σε έναν κινητήρα εσωτερικής καύσης, τα έμβολα συνδέονται μηχανικά με έναν στροφαλοφόρο άξονα – εάν ένα έμβολο κινείται, όλα τα άλλα έμβολα πρέπει να κινούνται μαζί του. Οι θέσεις τους, ωστόσο, είναι κλιμακωτές έτσι ώστε ενώ ένα έμβολο υποβάλλεται σε καύση, ένα άλλο να είναι εξαντλητικά αέρια. Αυτή η διαμόρφωση οδηγεί σε έναν λιγότερο σπασμωδικό παλινδρομικό κινητήρα, επειδή η ισχύς παράγεται σε περισσότερα από ένα μέρη του πλήρους κύκλου. Στα αυτοκίνητα, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν συνήθως μεταξύ τεσσάρων και οκτώ κυλίνδρων.