Efisiensi mesin mengacu pada kemampuan mesin untuk mengubah energi yang tersedia dari bahan bakarnya menjadi tenaga kerja yang berguna. Mesin pembakaran bensin modern beroperasi pada rata-rata sekitar 20 sampai 30 persen efisiensi mesin. Sisa 70 hingga 80 persen energi panas bensin dikeluarkan dari mesin baik sebagai panas buang, energi suara mekanis, atau kehilangan gesekan. Saat idle, efisiensi mesin adalah nol karena mesin tidak menggerakkan kendaraan dan hanya mengoperasikan aksesoris, seperti pompa air dan generator.
Mesin diesel sedikit lebih efisien. Mesin diesel menggunakan kompresi tinggi untuk menyalakan bahan bakarnya. Kompresi yang lebih tinggi ini mengompensasi hilangnya parasit perampok panas mesin dan menghasilkan sekitar 40 persen efisiensi mesin dari idle hingga hampir 2,000 putaran per menit. Efisiensi mesin ini hanya diamati oleh mesin diesel injeksi langsung.
Rasio kompresi mesin akan mempengaruhi kemampuannya untuk menjadi efisien. Hal ini disebabkan, sebagian, dari kemampuan mesin untuk mengubah panas dari proses pengapian menjadi kerja yang menghasilkan energi. Mesin mobil berbahan bakar bensin beroperasi pada rasio kompresi tidak lebih dari 10:1. Sebaliknya, mesin diesel tipikal dapat beroperasi dengan rasio kompresi setinggi 25:1. Semakin tinggi rasio kompresi, semakin baik efisiensi mesin secara keseluruhan.
Jumlah oksigen yang dapat ditelan mesin secara langsung memengaruhi kemampuannya untuk beroperasi lebih efisien. Ini adalah alasan untuk memasukkan nitrous oxide ke dalam sistem bahan bakar mesin bensin. Dinitrogen oksida menambahkan molekul oksigen ke dalam bahan bakar, memungkinkan lebih banyak bahan bakar untuk dibakar di ruang bakar. Pembakaran bahan bakar tambahan ini memungkinkan mesin beroperasi lebih efisien.
Jenis bahan bakar juga secara langsung mempengaruhi peringkat efisiensi mesin. Bensin dengan nilai oktan yang lebih tinggi akan memungkinkan mesin untuk beroperasi dengan rasio kompresi yang lebih tinggi. Hal ini pada gilirannya menciptakan efisiensi mesin yang lebih besar. Bahan bakar seperti nitrometana menghasilkan oksigen, sehingga menciptakan lebih banyak tenaga dengan memungkinkan lebih banyak bahan bakar yang dibakar di dalam mesin.
Beberapa mesin bahkan kurang efisien. Mesin piston-uap, misalnya, beroperasi pada efisiensi mesin sekitar 8 persen. Ini adalah faktor utama dalam kematian lokomotif bertenaga uap. Turbin uap di sisi lain, beroperasi pada tingkat efisiensi yang sama dengan atau melebihi mesin diesel. Inilah sebabnya mengapa turbin uap digunakan untuk pembangkit listrik. Mesin turbin gas adalah yang paling efisien dari semua mesin ketika dioperasikan dengan tenaga penuh. Mereka digunakan untuk menghasilkan listrik selama periode penggunaan tinggi dan dimatikan setelah kebutuhan tambahan terpenuhi.