Ein Hubkolbenmotor verwendet Kolben, um chemische Energie in mechanische Bewegung umzuwandeln. Es tut dies, indem es einen Brennstoff verbrennt und dann das heiße Gas so leitet, dass es auf einen Kolben drückt. Der Kolben ist so verbunden, dass er eine kreisförmige Kurbelwelle zu drehen beginnt; Wenn der Kolben das Ende seines Hubs erreicht hat, kehrt er in seine ursprüngliche Position zurück, ohne die Kurbelwelle mitzunehmen. Historisch gesehen waren die gebräuchlichsten Typen von Hubkolbenmotoren die Dampfmaschine und der Verbrennungsmotor. Die Leistung eines Hubkolbenmotors hängt vom Gesamtinnenvolumen seiner Zylinder ab.
Das erste weit verbreitete Beispiel für eine Hubkolbenmaschine war die Dampfmaschine. Im frühen 19. Jahrhundert entwickelten britische Ingenieure Dampfmaschinenkonstruktionen, die genug Leistung lieferten, um mit Wasserrädern zu konkurrieren. Diese Kraft konnte fernab von Flüssen vielseitig genutzt werden – Dampfmaschinen hielten bald Einzug in Fabriken, Eisenbahnlokomotiven und Schiffe und waren eine treibende Kraft der Ersten Industriellen Revolution.
In diesen Dampfmaschinen wird Kohle verbrannt, um die Wärme zum Kochen von Wasser zu liefern. Der entstehende Hochdruckdampf wird dann in einen Zylinder mit einem darin befindlichen Kolben geleitet. Der Kolben wird bis zum Ende des Zylinders geschoben und dreht über eine Pleuelstange eine Kurbelwelle. An dieser Stelle leitet ein Ventil den Dampf vom Zylinder weg, so dass er nicht mehr auf den Kolben einwirkt. Jetzt, wo sich die Kurbelwelle bewegt, kann ihr Schwung den Kolben in seine ursprüngliche Position zurückziehen und der Zyklus kann von vorne beginnen.
Eine andere Art von Hubkolbenmotor ist der Verbrennungsmotor. Ein Verbrennungsmotor bezieht seine Wärme aus einem chemischen Kraftstoff, wie Benzin, der in seinen Zylindern verbrannt wird. Einlassventile lassen Luft einströmen, bevor der Kraftstoff verbrannt wird. Ebenso ermöglichen Auslassventile, dass Gase den Motor verlassen, nachdem die Verbrennung stattgefunden hat. Vergaser oder zunehmend auch Einspritzdüsen ermöglichen die richtige Mischung von Kraftstoff und Luft für eine optimale Verbrennung.
Bei einem Verbrennungsmotor sind Kolben mechanisch mit einer Kurbelwelle verbunden – bewegt sich ein Kolben, müssen sich alle anderen Kolben mitbewegen. Ihre Positionen sind jedoch gegeneinander versetzt, so dass während der Verbrennung eines Kolbens ein anderer Gase ausstoßen kann. Diese Konfiguration führt zu einem weniger ruckartigen Hubkolbenmotor, da Leistung in mehr als einem Teil des Vollzyklus erzeugt wird. In Automobilen haben Verbrennungsmotoren üblicherweise zwischen vier und acht Zylindern.