Sebuah mesin flathead dapat dibedakan dari banyak desain mesin pembakaran internal lainnya dengan fakta bahwa seluruh rangkaian katup terletak di dalam blok. Desain mesin awal ini datang dengan beberapa keuntungan dan kerugian yang berbeda, dan telah menjadi jauh lebih jarang daripada mesin katup overhead (OHV) dan mesin overhead cam (OHC). Flathead yang digunakan dalam mobil termasuk mesin empat silinder segaris, delapan lurus, dan bahkan V12 besar. Mereka juga populer di sepeda motor sampai digantikan oleh panhead dan desain lainnya. Karena lokasi katup di dalam blok mesin, kepala pada mesin kepala datar biasanya tidak lebih dari potongan logam padat.
Banyak mesin pembakaran internal memiliki katup yang terletak di dalam kepala silinder. Mesin Flathead memiliki katup ini di blok, di sebelah piston. Keuntungan utama dari desain ini adalah mekanisme penggerak untuk katup dapat jauh lebih sederhana. Mesin OHV dan OHC memerlukan komponen seperti rocker arm dan pushrods untuk mengoperasikan katup, tetapi ini dapat dilakukan lebih langsung di mesin flathead. Keuntungan lain, terutama pada mesin katup samping, adalah pengemudi dapat terus mengoperasikan kendaraannya tanpa menyebabkan kerusakan berarti pada mesin jika katup jatuh.
Salah satu keuntungan terbesar yang ditawarkan oleh flathead berasal dari tumpang tindih yang relatif kecil yang terjadi ketika baik katup buang maupun katup masuk tidak ditutup. Karena cara membuka dan menutup katup dengan menekannya secara langsung, dan kecepatan membuka dan menutupnya, tumpang tindih ini biasanya lebih pendek daripada di mesin OHV atau OHC. Hal ini memungkinkan mesin flathead bekerja lebih baik pada putaran yang lebih rendah per menit (RPM), dan memberikan reputasi mesin yang sulit dihentikan.
Sebagian besar kelemahan yang melekat pada mesin flathead juga terkait dengan desain katup. Metode yang mereka gunakan untuk memasukkan campuran bahan bakar dan udara serta mengeluarkan gas pembakaran bisa jadi kurang efisien dibandingkan banyak mesin OHC dan OHV, sehingga menghasilkan kinerja yang buruk pada kecepatan tinggi. Flathead juga memiliki rasio kompresi maksimum yang lebih rendah daripada banyak desain mesin lainnya, yang dapat berkontribusi pada efisiensi yang lebih rendah.
Penggunaan modern mesin flathead terutama terbatas pada kendaraan yang dibuat khusus dan direstorasi. Dalam aplikasi ini, penggunaan mesin flathead otentik mungkin lebih penting bagi rodder atau penyesuai daripada potensi kelemahan yang melekat pada desain. Mereka juga kadang-kadang digunakan dalam mesin kecil seperti mesin pemotong rumput, di mana kesederhanaan struktur katup berguna dan kinerja kecepatan tinggi tidak penting.