A eficiência do motor se refere à capacidade do motor de transformar a energia disponível de seu combustível em força de trabalho útil. O moderno motor de combustão a gasolina opera com uma eficiência média de aproximadamente 20 a 30%. Os 70 a 80 por cento restantes da energia térmica da gasolina são expelidos do motor como calor de exaustão, energia sonora mecânica ou perda de fricção. Em marcha lenta, a eficiência do motor é zero, pois o motor não está movimentando o veículo e está operando apenas acessórios, como a bomba d’água e o gerador.
Os motores a diesel são um pouco mais eficientes. O motor diesel usa alta compressão para inflamar seu combustível. Esta compressão mais alta compensa a perda parasitária do roubo de calor dos motores e resulta em cerca de 40 por cento da eficiência do motor de marcha lenta a quase 2,000 rotações por minuto. Esta eficiência do motor só é observada por motores a diesel de injeção direta.
A taxa de compressão de um motor afetará sua capacidade de ser eficiente. Isso se deve, em parte, à capacidade do motor de converter o calor do processo de ignição em energia de produção de trabalho. O motor típico de automóvel a gasolina opera com uma taxa de compressão de, no máximo, 10: 1. Por outro lado, o motor diesel típico pode operar com uma taxa de compressão de até 25: 1. Quanto maior a taxa de compressão, melhor será a eficiência geral do motor.
A quantidade de oxigênio que um motor é capaz de absorver afeta diretamente sua capacidade de operar com mais eficiência. Esse é o motivo para a introdução do óxido nitroso no sistema de combustível de um motor a gasolina. O óxido nitroso adiciona moléculas de oxigênio ao combustível, permitindo que mais combustível seja queimado na câmara de combustão. Essa queima do combustível adicionado permite que o motor opere com mais eficiência.
O tipo de combustível também afeta diretamente a classificação de eficiência do motor. A gasolina com maior octanagem permitirá que o motor opere com maior taxa de compressão. Isso, por sua vez, cria uma maior eficiência do motor. Combustíveis como o nitrometano produzem oxigênio, criando assim muito mais potência ao permitir que mais combustível seja queimado no motor.
Alguns motores são ainda menos eficientes. O motor a pistão a vapor, por exemplo, opera com aproximadamente 8 por cento de eficiência do motor. Este foi o principal fator para o desaparecimento da locomotiva a vapor. As turbinas a vapor, por outro lado, operam com níveis de eficiência iguais ou superiores aos do motor a diesel. É por isso que a turbina a vapor é usada para usinas de geração elétrica. O motor de turbina a gás é o mais eficiente de todos os motores quando operado com potência total. Eles são usados para produzir eletricidade durante os períodos de alto consumo e são desligados após a necessidade adicional ser atendida.