Mesin dua langkah adalah jenis mesin pembakaran internal yang menggabungkan empat operasi dari mesin gas atau diesel yang khas menjadi dua langkah. Mesin dua langkah bertenaga bensin dapat ditemukan pada barang-barang seperti gergaji mesin dan motor tempel, sedangkan mesin diesel dua langkah umumnya digunakan untuk menggerakkan benda-benda seperti lokomotif dan kapal. Khas mesin empat langkah melalui siklus asupan, kompresi, pembakaran, dan buang. Mesin dua langkah melakukan operasi yang sama, tetapi hanya memiliki langkah kompresi dan langkah pembakaran — asupan dan pembuangan digabungkan ke dalam langkah kompresi dan pembakaran.
Pada dasarnya, mesin dua langkah terdiri dari piston di dalam ruang silinder. Ruang kompresi berada di satu sisi piston dan bak mesin di sisi lain. Busi terletak di ujung ruang kompresi. Port intake dan exhaust terletak di dinding silinder.
Selama langkah kompresi, piston memampatkan campuran udara dan bahan bakar sambil bergerak menuju busi. Secara bersamaan, campuran udara, bahan bakar, dan oli dari karburator ditarik ke dalam bak mesin melalui lubang masuk. Ketika piston mencapai akhir langkah kompresi, busi menyala dan langkah pembakaran dimulai.
Ketika busi menyala, udara dan bahan bakar terkompresi di ruang kompresi menyala, yang memaksa piston ke bawah untuk langkah pembakaran. Saat piston bergerak ke bawah, lubang pembuangan terbuka dan tekanan di dalam silinder mendorong gas buang keluar; pada saat yang sama, gerakan piston mengompresi udara dan bahan bakar di dalam bak mesin. Ketika piston mencapai dasar langkahnya, katup masuk terbuka dan campuran bahan bakar bertekanan di dalam bak mesin keluar ke dalam silinder. Kemudian langkah kompresi dimulai lagi.
Mesin diesel dua langkah beroperasi dengan cara yang sama, dengan satu perbedaan utama: hanya udara yang ditarik ke dalam ruang dan dikompresi. Bahan bakar disuntikkan langsung ke ruang kompresi dan langsung menyala karena tekanan dan temperatur. Mesin diesel dua langkah juga harus memiliki turbocharger dan supercharger untuk memampatkan udara yang masuk ke mesin, membuatnya lebih besar dan lebih mahal daripada mesin bensin dua langkah.
Karena perbedaan penggunaan bahan bakar, mesin bensin dua langkah digunakan untuk peralatan dan kendaraan kecil, seperti peralatan rumput dan kendaraan rekreasi air, sedangkan mesin diesel dua langkah digunakan untuk aplikasi yang jauh lebih besar, seperti kapal dan kereta api. Tidak ada yang biasanya digunakan dalam mobil, karena mesin bensin dua langkah lebih cepat aus, kurang hemat bahan bakar, dan menyebabkan lebih banyak polusi daripada mesin empat langkah. Umumnya, mesin diesel dua langkah juga terlalu besar untuk mobil standar.