Eine Kolbendampfmaschine ist ein Motortyp, der einen zylindrischen Kolben enthält, der sich in einem geschlossenen Zylinder bewegt. Wie bei allen Kolbenmotoren wird zur Bewegung des Kolbens die Expansion von heißem Gas verwendet und die Kraft dieser Bewegung auf mechanischem Wege in eine Art Arbeit umgewandelt. Im Gegensatz zu Verbrennungsmotoren beruht eine Kolbendampfmaschine jedoch auf Dampf, der außerhalb des Zylinders in einem Kessel erzeugt wird, um den Kolben innerhalb des Zylinders zu bewegen.
Der erste Motor dieser Art wurde 1690 von einem französischen Erfinder und Ingenieur namens Denis Papin erfunden. Seine einfache Einzylinder-Kolben-Dampfmaschine war ein Proof-of-Concept-Design, das zeigte, dass eine solche Maschine möglich war. Es funktionierte, war jedoch nicht in der Lage, seine Aktion von selbst zu wiederholen und musste nach jedem Zyklus auseinandergenommen und zurückgesetzt werden. Es hatte keine Möglichkeit, die durch die Wirkung des Kolbens erzeugte Arbeit zu übertragen, bewies jedoch, dass ein solcher Motor möglich war.
Alle Kolbenmotoren verwenden Pleuelstangen, um den Kolben oder die Kolben mit einer Kurbelwelle zu verbinden. Die Kurbelwelle wandelt die geradlinige Bewegung des Kolbens in eine Drehbewegung um, die auf einen Antriebsmechanismus wie die Räder einer Lokomotive oder eine Schiffsschraube übertragen wird. Bei den meisten Verbrennungsmotoren drückt das beim Zünden und Verbrennen des Kraftstoffs entstehende Heißgas nur auf eine Seite des Kolbens. Bei einer Kolbendampfmaschine ist der Zylinder oft mit einem Schieber ausgestattet, wodurch der Dampf auf beiden Seiten des Kolbens abwechselnd von einer Seite zur anderen wirken kann.
Teile für Motoren dieser Art müssen präzise gefertigt werden, um einen effizienten Betrieb zu gewährleisten. Kolben und Zylinder müssen mit möglichst geringem Abstand zueinander passen. Die Kolben einer Kolbendampfmaschine sind wie andere Kolbenmaschinen oft mit Ringen ausgestattet, die als Hochtemperaturdichtung eine gute Abdichtung zwischen Kolben und Zylinder gewährleisten und Leckagen verhindern, was den Wirkungsgrad verringert.
Viele verschiedene Arten von Kolbendampfmaschinen wurden seit Papins erster Konstruktion entwickelt, aber all die verschiedenen Verbesserungen und Variationen haben das Grundprinzip der Verwendung von Dampf zum Bewegen eines Kolbens innerhalb eines Zylinders zur Verrichtung von Arbeit nicht geändert. Kolbendampfmaschinen wurden in frühen Eisenbahnlokomotiven, Schiffsmotoren und sogar einigen frühen Automobiltypen verwendet. Eine Reihe von Fahrzeugen, die von Stanley hergestellt wurden, war als „Stanley-Dampfer“ bekannt.