Как правило, корпус двигателя отливается из чугуна или алюминия - материалов, выдерживающих высокую температуру, перепады давления и скольжение поршней по стенкам цилиндров. При этом блок цилиндров может быть чугунным, а головка - алюминиевой, или наоборот. Чугунный двигатель более жёсткий и надёжный, чем алюминиевый, но тяжелее и склонен к коррозии. Алюминиевый, в свою очередь, не такой тяжёлый, обладает большей теплопроводностью и лучше охлаждается, но намного дороже чугунного в изготовлении и подвержен быстрому износу. Последний недостаток устраняется путём использования сменных мокрых гильз, сухих чугунных или композитных гильз или упрочнения стенок цилиндров кристаллами кремния. Иногда блоки цилиндров делаются из магниевого и других высокопрочных сплавов.

Ещё одним элементом КШМ является маховик двигателя, состоящий из одного или двух соединённых дисков. Маховик устанавливается на конце коленчатого вала возле заднего коренного подшипника и служит для устранения неравномерности вращения коленчатого вала и гашения крутильных колебаний. Через маховик также осуществляется передача крутящего момента от двигателя к коробке передач и запуск двигателя стартером. Иногда в состав КШМ также входят балансирные валы, расположенные по обе стороны от коленвала. Они необходимы для уравновешивания сил инерции в несбалансированных двигателях и способствуют снижению перегрузок, шума и вибраций.

В нижнеклапанных двигателях клапаны находятся в блоке сбоку от цилиндров, в верхнеклапанных - в головке блока. Распредвал тоже может располагаться как в блоке цилиндров (в нижнеклапанных, смешанных моторах и в OHV), так и в его головке (SOHC или DOHC). В последнем случае применяется один распредвал (SOHC) с двумя клапанами на цилиндр или два распредвала (DOHC) с четырьмя и более клапанами на цилиндр.

Клапаны нужны для того, чтобы в нужные моменты открывать или закрывать впускные и выпускные отверстия в цилиндре. Клапан представляет собой тарелку, которая удерживается в закрытом состоянии пружиной и открывается при нажатии на стержень. Передача усилия от кулачков распределительного вала к клапанам осуществляется при помощи толкателей, роликовых рычагов или коромысел.

Обычные клапанные двигатели независимо от типа ГРМ имеют один недостаток: на высоких оборотах коленчатого вала из-за инерции клапанов и резонанса пружины происходит т.н. зависание клапанов - неполное закрытие клапана до достижения поршнем верхней мёртвой точки, которое приводит к столкновению поршня с клапаном и выходу двигателя из строя. Полностью устранить эту проблему удалось в десмодромном ГРМ, обеспечивающим непосредственное управление клапанами двумя верхними распредвалами (или одним с кулачками сложной формы) при отсутствии клапанных пружин. Эта технология применялась на некоторых гоночных автомобилях 50-х гг. (Mercedes-Benz 300SLR), но не дошла до серийного производства в связи с высокой стоимостью, шумностью и необходимостью высококачественного смазочного масла.

Другими способами предотвращения зависания клапанов являются использование лёгких материалов для изготовления клапанов и пружин, установка нескольких вложенных друг в друга пружин на одном клапане и пневматический привод клапанов. На современных двигателях также применяется электронная система изменения фаз газораспределения (CVVT), в которой открывание и закрывание клапанов регулируется принудительно в соответствии с параметрами работы двигателя. Она обеспечивает повышение мощности, снижение расхода топлива и сокращение вредных выбросов.

Существует альтернатива клапанным системам ГРМ - гильзовая система газораспределения, разработанная Чарльзом Найтом. В двигателях Найта впускные и выпускные отверстия в цилиндре открывались и закрывались не клапанами, а скользящими гильзами. Система была полностью бесшумной и отличалась долговечностью, но из-за сложности и высокого расхода масла перестала употребляться с появлением более эффективных верхнеклапанных моторов.

Топливная система состоит из топливного бака, топливного насоса, топливопроводов и топливного фильтра. Топливный бак обычно размещается в задней части автомобиля и служит в качестве резервуара для горючего. От него к двигателю ведут два топливопровода: подающий, в котором поддерживается давление, и сливной, по которому излишки топлива возвращаются в бак. Очистка топлива производится в топливном фильтре. Давление в системе поддерживает топливный насос. В карбюраторных ДВС используется механический топливный насос с приводом от распредвала, установленный на двигателе, в инжекторных - электрический топливный насос, расположенный в топливопроводе или в топливном баке. На ранних автомобилях топливный насос отсутствовал, а бензин поступал в карбюратор самотёком.

В бензиновом ДВС бывает два вида систем впрыска:

1. Карбюратор - отдельный агрегат, предназначенный для приготовления смеси бензина и воздуха и подачи её в цилиндры. Интенсивность смесеобразования в карбюраторе регулируется дроссельной заслонкой. В зависимости от направления потока топливно-воздушной смеси различают карбюраторы с восходящим, нисходящим и горизонтальным потоком. В зависимости от количества смесительных камер карбюраторы делятся на однокамерные, двухкамерные и четырёхкамерные. Кроме того, многоцилиндровый двигатель может оснащаться не одним, а несколькими карбюраторами. Как правило, производством карбюраторов занимались специализированные фирмы: Autolite, Ball & Ball, Carter, Holley, Motorcraft и Rochester в США, Bing, Dell'Orto, Jikov, Magneti Marelli, Pierburg, Solex, Stromberg, SU, Weber и Zenith в Европе, Hitachi, Keihin и Mikuni в Японии. В современных автомобильных двигателях карбюраторы не используются.
2. Впрыск топлива (инжектор) - система подачи топлива путём принудительного впрыска с помощью распыляющих форсунок во впускной коллектор или цилиндры. Первые системы впрыска топлива появились на некоторых немецких автомобилях (Mercedes-Benz 300SL) в середине 50-х гг. Это были механические инжекторы, в которых топливо подавалось механическим насосом и дозировалось плунжерно-рычажным механизмом. Главным недостатком механических систем впрыска была подача топлива в цилиндры в интервале между выключением двигателя и остановкой коленчатого вала, что создавало проблемы в обслуживании. В 80-х гг. на смену механическим пришли электронные системы впрыска топлива, сегодня применяющиеся на всех серийных автомобилях. Принцип работы такой системы заключается в том, что форсунки открываются с помощью электронного блока управления, состоящего из микроконтроллеров, которые анализируют поступающую со специальных датчиков информацию о параметрах работы двигателя и корректируют подачу топлива в зависимости от установленного режима.
   По количеству форсунок различают одноточечный впрыск (моновпрыск), который имеет одну форсунку на впускном коллекторе, фактически заменяющую карбюратор, и многоточечный впрыск (распределённый впрыск), при котором каждый цилиндр обслуживается своей форсункой. Разновидностью последнего является система непосредственного впрыска топлива, у которой форсунки расположены не во впускном коллекторе, а в головке блока цилиндров, а смесеобразование происходит в камере сгорания. Двигатели с непосредственным впрыском имеют самые высокие показатели экономичности и отвечают современным экологическим стандартам.
   В дизельных двигателях используется только инжекторная система впрыска, подающая топливо в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания. Основным конструктивным элементом таких систем является топливный насос высокого давления (ТНВД), обеспечивающий впрыск топлива в камеру со сжатым и нагретым воздухом, от которого она воспламеняется. В современных дизелях также применяются системы впрыска насос-форсунками (объединяющими функции впрыска и создания высокого давления) и системы Common Rail (с общим аккумулятором высокого давления).

Нагнетатель - это механический компрессор для сжатия поступающего в цилиндры воздуха и увеличения массового заряда горючей смеси. Имеет механический привод от коленчатого вала, поэтому требует затрата мощности двигателя на свою работу. Интенсивность подачи воздуха нагнетателем зависит от количества оборотов коленчатого вала. Нагнетатель может работать и на холостых оборотах, а может включаться только при нажатии педали газа. К недостаткам нагнетателя относятся его большие габариты, характерный шум и высокий расход топлива. Наиболее известным стал кулачковый нагнетатель Рутса (Roots Supercharger), получивший широкое применение на гоночных и спортивных автомобилях довоенного периода. Также существуют винтовой (Lysholm) и центробежный нагнетатели.

Турбонаддув - способ подачи воздуха в цилиндры под давлением, основанный на использовании энергии отработавших газов. Основным элементом системы наддува является турбокомпрессор, состоящий из газовой турбины и компрессора. Выхлопные газы из выпускного коллектора проходят через турбину и вращают её лопасти, в результате чего приводится в движение компрессор. Под действием центробежных сил через компрессор нагнетается воздух в цилиндры, а для его охлаждения используется промежуточный охладитель (интеркулер). Турбонаддув даёт увеличение мощности двигателя без повышения его оборотов и расхода топлива, однако из-за вероятности детонации сжатой смеси в цилиндрах требует пониженной степени сжатия. В силу особенностей конструкции турбонаддув обладает высокой инерцией, вызывающей задержку мощности при резком нажатии на педаль газа ("турбояма") и затем резкое её увеличение ("турбоподхват"). Устранить эти недостатки возможно за счёт установки двух параллельных турбокомпрессоров (twin turbo) или турбины с изменяемой геометрией (VNT). Наибольшей эффективностью обладают современные дизельные двигатели с турбонаддувом, характеризующиеся высокими экологическими показателями. На бензиновых ДВС первые турбокомпрессоры появились в начале 60-х гг., но стали популярны только в 80-е гг.

Более простая воздушная система охлаждения применялась на некоторых автомобилях с небольшими двигателями. В такой системе отсутствовал радиатор, а по каналам охлаждения циркулировал воздух. Несмотря на простоту в обслуживании и отсутствие риска замерзания воды зимой, двигатели с воздушным охлаждением вышли из употребления из-за проблемы перегрева в жаркую погоду и чрезмерного шума.