Ein Viertaktmotor ist ein Hubkolbenmotor, der den Kreisprozess in vier Takten bewältigt. Ein Takt ist die Bewegung des Kolbens vom Stillstand in eine Richtung bis zum erneuten Stillstand. Die Kurbelwelle vollführt daher eine halbe Umdrehung während eines Taktes.

1. Takt, Ansaugen:
Der Kolben steht im oberen Totpunkt und beginnt, sich abwärts zu bewegen. Das Einlassventil öffnet und Luft (bei Motoren mit innerer Gemischbildung, z. B. Dieselmotor oder Benzin-Direkteinspritzer) oder brennbares Gemisch (bei Motoren mit äußerer Gemischbildung, z. B. Vergaser-Ottomotor oder indirekter Benzineinspritzer) wird in den Zylinder gesaugt. Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Einlassventil geschlossen. 


2. Takt, Verdichten:
Der Kolben bewegt sich nun nach oben und verdichtet dabei das im Zylinder befindliche Gas (siehe hierzu auch Kompressionsdruck, Verdichtungsverhältnis). Ist der Kolben beim Otto-Motor mit Vergaser oder indirekter Benzineinspritzung nahe am oberen Totpunkt angelangt, wird die Zündkerze gezündet; beim Direkteinspritzer wird kurz zuvor der Kraftstoff eingespritzt. Ebenso beim Dieselmotor: kurz vor Erreichen des oberen Totpunktes wird der Dieselkraftstoff eingespritzt. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Luft-Kraftstoffgemisch verdichtet. Das Gas erwärmt sich, der Druck steigt bis zur Entzündung. 


3. Takt, Arbeiten:
Das verbrennende Gas dehnt sich aus und schiebt den Kolben nach unten, so dass dabei mechanische Arbeit verrichtet wird. 


4. Takt, Ausstoßen:
Wenn der Kolben den unteren Totpunkt erreicht, wird das Auslassventil geöffnet. Durch die Aufwärtsbewegung des Kolbens wird das Abgas aus dem Zylinder geschoben. Am Ende des Ausstoßtaktes kommt es zur sogenannten Ventilüberschneidung. Das Einlassventil wird geöffnet, bevor der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Durch den Sog der ausströmenden Abgase entsteht ein Unterdruck, durch den das Gemisch oder die Ansaugluft gegen die Kolbenbewegung einströmen kann. Hierdurch soll der Füllungsgrad verbessert werden. Das Auslassventil schließt, kurz nachdem der Kolben den oberen Totpunkt erreicht hat. Pro Zylinder gibt es mindestens ein Einlass- und ein Auslass-Ventil, aber auch 3 oder 4 Ventile pro Zylinder sind gängig, manchmal 5 Ventile (Audi). 4-Ventil-Motoren gelten im Vergleich zu Zweiventilern als leistungsstärker, weil der Gasaustausch leichter stattfindet. So genannte 16-V-Motoren sind meist 4-Zylinder-Motoren mit je 4 Ventilen pro Zylinder.

Die Ventilsteuerung erfolgt über die Nockenwelle(n). Diese wird von der Kurbelwelle angetrieben und läuft mit halber Kurbelwellendrehzahl. Liegt die Nockenwelle unten, werden die Ventile über sogenannte Stößelstangen angetrieben, meist im Zusammenspiel mit Kipphebeln zur Betätigung der hängend angeordneten Ventile (OHV-Motor, overhead valves). Die Stößelstangen können entfallen, wenn die Nockenwelle oben liegt (OHC-Motor, overhead camshaft), die Ventile werden dann über Kipp- oder Schlepphebel angesteuert. Die Verwendung von zwei obenliegenden Nockenwellen (DOHC-Motor, double overhead camshaft) ermöglicht durch die günstigere Anordnung der Ventile eine optimale halbkugelförmige Brennkammerform des Zylinderkopfes und erlaubt die direkte, massearme Betätigung der Ventile über Tassenstößel. Der Antrieb der obenliegenden Nockenwelle(n) erfolgt bei Großserienmotoren über eine Steuerkette, die als Rollen- oder Zahnkette ausgeführt sein kann, oder einen Zahnriemen.