四沖程柴油機的工作循環同樣包括進氣、壓縮、作功和排氣等四個過程，在各個活塞行程中，進、排氣門的開閉和曲柄連桿機構的運動與汽油機完全相同。只是由于柴油和汽油的使用性能不同，使柴油機和汽油機在混合氣形成方法及著火方式上有著根本的差別。

1.進氣行程

在柴油機進氣行程中，被吸入氣缸的只是純凈的空氣。

2.壓縮行程

因為柴油機的壓縮比大，所以壓縮行程終了時氣體壓力高。

3.作功行程

在壓縮行程結束時，噴油泵將柴油泵入噴油器，并通過噴油器噴入燃燒室。因為噴油壓力很高，噴孔直徑很小，所以噴出的柴油呈細霧狀。細微的油滴在熾熱的空氣中迅速蒸發汽化，并借助于空氣的運動，迅速與空氣混合形成可燃混合氣。由于氣缸內的溫度遠高于柴油的自燃點，因此柴油隨即自行著火燃燒。燃燒氣體的壓力、溫度迅速升高，體積急劇膨脹。在氣體壓力的作用下，活塞推動連桿，連桿推動曲軸旋轉作功。

4.排氣行程

排氣行程開始，排氣門開啟，進氣門仍然關閉，燃燒后的廢氣排出氣缸。