Moottorin hyötysuhteella tarkoitetaan moottorin kykyä muuntaa polttoaineesta saatavana oleva energia hyödylliseksi työtehoksi. Nykyaikainen polttomoottori toimii keskimäärin noin 20–30 prosentin moottorin hyötysuhteella. Loput 70-80 prosenttia bensiinin lämpöenergiasta poistetaan moottorista joko pakokaasulämmönä, mekaanisena äänienergiana tai kitkahäviönä. Tyhjäkäynnillä moottorin hyötysuhde on nolla, koska moottori ei liiku ajoneuvoa ja käyttää vain lisävarusteita, kuten vesipumppua ja generaattoria.
Dieselmoottorit ovat hieman tehokkaampia. Dieselmoottori sytyttää polttoaineen korkealla puristuksella. Tämä suurempi puristus kompensoi moottorien lämmöneristävän loistaudin ja johtaa noin 40 prosentin moottorin hyötysuhteeseen tyhjäkäynnistä lähes 2,000 kierrosta minuutissa. Tätä moottorin tehokkuutta havaitaan vain suoraruiskutusdieseleissä.
Moottorin puristussuhde vaikuttaa sen kykyyn olla tehokas. Tämä johtuu osittain moottorin kyvystä muuttaa sytytysprosessin lämpöä energiaa tuottavaksi työksi. Tyypillinen bensiinimoottorikäyttöinen moottori toimii enintään 10: 1 puristussuhteella. Päinvastoin, tyypillinen dieselmoottori voi toimia jopa 25: 1 puristussuhteella. Mitä suurempi puristussuhde, sitä parempi moottorin kokonaistehokkuus.
Hapen määrä, jonka moottori kykenee absorboimaan, vaikuttaa suoraan sen kykyyn toimia tehokkaammin. Tästä syystä typpioksidi lisätään bensiinimoottorin polttoainejärjestelmään. Typpioksidi lisää polttoaineeseen happimolekyylejä, jolloin polttoainetta voidaan polttaa enemmän polttokammiossa. Tämä lisätyn polttoaineen polttaminen antaa moottorin toimia tehokkaammin.
Polttoainetyyppi vaikuttaa myös suoraan moottorin hyötysuhteeseen. Bensiini, jolla on korkeampi oktaaniluku, sallii moottorin toimia korkeammalla puristussuhteella. Tämä puolestaan lisää moottorin tehokkuutta. Polttoaineet, kuten nitrometaani, tuottavat happea ja luovat siten paljon enemmän tehoa sallimalla polttoaineen polttamisen moottorin sisällä.
Jotkut moottorit ovat jopa vähemmän tehokkaita. Esimerkiksi mäntähöyrykone toimii noin 8 prosentin moottorin hyötysuhteella. Tämä oli ensisijainen tekijä höyrykäyttöisen veturin tuhoutumisessa. Toisaalta höyryturbiinien tehokkuus on sama tai suurempi kuin dieselmoottorin. Siksi höyryturbiinia käytetään sähköntuotantolaitoksissa. Kaasuturbiinimoottori on kaikista moottoreista tehokkain, kun sitä käytetään täydellä teholla. Niitä käytetään sähkön tuottamiseen korkean käyttöajan aikana ja ne sammutetaan, kun lisätty tarve on tyydytetty.