柴油機燃料主要是柴油,通常高速柴油機用輕柴油;中、低速柴油機用輕柴油或重柴油。柴油機用噴油泵和噴油器將燃油以高壓噴入氣缸,噴入的燃油呈霧狀,與空氣混合燃燒。因此柴油機可用揮發性較差的重質燃料或劣質燃料,如原油和渣油等。
在燃用原油和渣油時,除須濾除雜質和水分外,還要對供油系統進行預熱保溫,降低粘度,以便輸送和噴射。柴油機如采用某種合適的燃燒室也可燃用乙醇、汽油和甲醇等輕質燃料。為了改善輕質燃料的著火性,可加入添加劑提高十六烷值,或與柴油混合使用。一些氣體燃料,如天然氣、液化石油氣、沼氣和發生爐煤氣等也可作為柴油機的燃料,但這時通常以氣體燃料為主,以少量柴油引燃,這種發動機稱為雙燃料內燃機。