摩托車發動機的工作原理與汽車發動機相同。發動機由活塞、氣缸體和氣缸蓋組成，氣缸蓋包含氣門機構。火花點燃燃料與空氣混合物時會引起爆炸，推動活塞在氣缸體內上下移動。氣門隨之開啟和關閉，以便燃料與空氣混合物進入燃燒室。活塞的上下運動帶動曲軸轉動，將活塞的能量轉變為旋轉運動。透過變速器將曲軸的旋轉力傳遞給摩托車的後輪。

通常依據三個特徵對摩托車發動機進行分類：發動機的氣缸數、燃燒室容量或動力迴圈的衝程數。

氣缸

摩托車可有1-6個氣缸。多年來，V-twin設計是美國、歐洲和日本摩托車工程師的選擇。V-twin因兩個氣缸成V字形而得名，例如下面所示的經典哈雷戴維森V-twin發動機。注意哈雷戴維森V-twin中的45度°，其他製造商可變換此角度，以減少振動。

V-twin只是排列兩個氣缸的一種方式。如果要使活塞彼此相對，排列氣缸時應選擇反雙型設計。而並列雙缸發動機將活塞並排垂直放置。

當前，最流行的設計為四缸。這種設計執行更平穩，並且轉速較兩缸發動機更快。四個氣缸可並排放置，或者呈V字型排列，V字型的兩側各有兩個氣缸。

容量

摩托車發動機燃燒室的大小與其輸出功率直接相關。上限值約為1500cc(立方厘米)，下限值約為50cc。後一種發動機通常用於小型摩托車（機動腳踏車），其耗油量為每100公里2.35升，最快速度只能達到每小時48-56公里。