Mesin sepeda motor adalah mesin yang menggerakkan sepeda motor, dan sering kali berisi satu hingga enam silinder dan dapat disuntikkan bahan bakar, karburator, dan bahkan diisi turbo. Desain mesin sepeda motor awal mengandalkan pembakaran dan pelumasan dua langkah, tetapi sebagian besar versi modern menggunakan desain empat langkah. Sebagian besar desain mesin sepeda motor memiliki transmisi yang direkayasa ke dalam casing mesin, dan kedua komponen tersebut berfungsi sebagai satu desain.
Mesin sepeda motor biasanya dirancang untuk menghasilkan tenaga kuda puncaknya pada putaran mesin tinggi per menit, atau RPM. Sepeda motor khas mampu beroperasi dengan nyaman pada 6,000 hingga 8,000 RPM tanpa kerusakan. Beberapa sepeda motor bergaya kafe Jepang mampu bertahan dalam pengoperasian yang lama pada 10,000 RPM ke atas. Bahkan ada beberapa motor drag racing yang didesain khusus yang mampu beroperasi dengan aman jauh melebihi itu.
Mesin sepeda motor tidak berbeda jauh dari mesin yang ditemukan di mobil rata-rata, tetapi biasanya dibuat dalam skala yang lebih kecil. Fungsi dasar bahan bakar, api dan kompresi ada di sepeda motor dan rentan terhadap jenis masalah mekanis yang sama seperti mobil. Masalah overheat dan pengiriman bahan bakar adalah yang paling umum di mesin sepeda motor. Biasanya, pemeliharaan yang buruk berada di balik sebagian besar masalah.
Sementara sepeda motor berpendingin cairan dalam banyak kasus, ia memiliki beberapa fitur berteknologi tinggi yang belum menemukan rumah di mesin mobil. Paduan eksotis yang digunakan dalam produksi mesin serta desain ruang angkasa di pembangkit listrik membantu menciptakan mesin akselerasi yang sangat cepat dan cepat. Beberapa model eksperimental telah memasukkan fitur seperti piston berbentuk oval dalam desain mesin, mendorong biaya sepeda motor ke liga mobil super dan seterusnya.
Di Amerika Serikat, Harley Davidson telah memilih untuk tetap menggunakan desain mesin berpendingin udara yang sangat mirip dengan sepeda motor gaya awal 1900-an. Mesin sepeda motor Harley Davidson V-twin berpendingin udara adalah mesin yang berdiri sendiri. Mesin dipisahkan dari transmisi dalam desain ini dan terhubung ke transmisi melalui rantai penggerak atau sabuk yang disebut penggerak utama. Transmisi dapat berupa unit empat hingga enam kecepatan dan penggerak akhir ke ban belakang dapat berupa rantai rol atau sabuk bergigi. Teknologi modern telah menemukan jalannya ke studio desain Harley Davidson, dan menawarkan versi penggerak poros berpendingin cairan, dalam jajarannya.