Stūmokliniai varikliai cheminę energiją paverčia mechaniniu judesiu. Tai daroma deginant kurą ir nukreipiant karštas dujas taip, kad jos stumtų stūmoklį. Stūmoklis prijungtas taip, kad jis pradės sukti apskritą alkūninį veleną; stūmokliui pasiekus savo eigos pabaigą, jis grįš į pradinę padėtį, neatnešdamas alkūninio veleno atgal. Istoriškai labiausiai paplitę stūmoklinių variklių tipai buvo garo variklis ir vidaus degimo variklis. Stūmoklinio variklio tiekiama galia yra susieta su bendru vidiniu jo cilindrų tūriu.
Pirmasis plačiai paplitęs stūmoklinio variklio pavyzdys buvo garo variklis. Iki XIX amžiaus pradžios britų inžinieriai sukūrė garo variklių konstrukcijas, kurios suteikdavo pakankamai galios konkuruoti su vandens ratais. Šią galią buvo galima panaudoti įvairiems tikslams toli nuo upių – garo varikliai netrukus atsidūrė gamyklose, geležinkelio lokomotyvuose ir laivuose ir buvo pirmosios pramonės revoliucijos varomoji jėga.
Šiuose garo varikliuose anglys deginamos, kad būtų tiekiama šiluma vandeniui užvirti. Tada susidarę aukšto slėgio garai pilami į cilindrą su stūmokliu. Stūmoklis stumiamas į cilindro galą, sukant alkūninį veleną per švaistiklį. Šiuo metu vožtuvas nukreipia garus nuo cilindro, kad jie daugiau neveiktų stūmoklio. Dabar, kai alkūninis velenas juda, jo impulsas gali grąžinti stūmoklį į pradinę padėtį ir ciklas gali prasidėti iš naujo.
Kitas stūmoklinio variklio tipas yra vidaus degimo variklis. Vidaus degimo variklis šilumą gauna iš cheminio kuro, pavyzdžiui, benzino, kuris deginamas jo cilindruose. Įsiurbimo vožtuvai leidžia orui tekėti prieš degant kuras. Taip pat išmetimo vožtuvai leidžia dujoms išeiti iš variklio po degimo. Karbiuratoriai arba, vis dažniau, degalų purkštukai leidžia tinkamai sumaišyti kurą ir orą, kad degimas būtų idealus.
Vidaus degimo variklyje stūmokliai yra mechaniškai sujungti su alkūniniu velenu – jei vienas stūmoklis juda, visi kiti stūmokliai turi judėti kartu su juo. Tačiau jų padėtis yra išdėstyta taip, kad vienam stūmokliui degant, kitas gali išleisti dujas. Dėl šios konfigūracijos stūmoklinis variklis yra mažiau trūkčiojantis, nes galia gaminama daugiau nei vienoje viso ciklo dalyje. Automobiliuose vidaus degimo varikliai paprastai turi nuo keturių iki aštuonių cilindrų.