柴油机燃烧室分直接喷射式燃烧室和分开式燃烧室两大类。
（1）直接喷射式燃烧室。它是由平的气缸盖底面和活塞顶凹坑及气缸壁组成单——内腔。这种燃烧室一般使用多孔喷油器将柴油直接喷射到燃烧室中，借喷出油束的形状和燃烧室形状的匹配以及燃烧室内空气涡流运动，迅速形成可燃混合气。直接喷射式燃烧室柴油机最大特点，是利用在气缸盖上的进气道形状使进入气缸的空气产生绕气缸轴线旋转的进气涡流，来帮助燃油与空气的混合。
直接喷射式燃烧室的结构形状有山形燃烧室、球形燃烧室和形燃烧室等。
（2）分开式燃烧室。它由两部分组成，一部分位于气缸盖底面与活塞顶之间，称主燃烧室；另一部分在气缸盖内，称辅助燃烧室。两者之间由一个或多个通道相通。根据辅助燃烧室的容积分配比例和结构形式，分开式燃烧室又分为涡流室式和预燃室式两种。
（3）涡流室式燃烧室。涡流室（辅助燃烧室）容积约占燃烧室总容积的50％左右。连接涡流室与主燃烧室的一个或数个通道与涡流室相切，使空气在压缩行程中从气缸被挤入涡流室时产生强烈的旋转运动。使直接喷在涡流室空间的燃油很快与空气混合，形成较浓的混合气并发火燃烧，使涡流室内的压力急剧升高，燃烧气体连同刚喷入的燃油和燃烧产物经通道进入主燃烧室，进一步与那里的空气混合燃烧。
（4）预燃室式燃烧室。预燃室（辅助燃烧室）容积约为燃烧室总容积的25％～40％，用一个或数个小直径的通道与主燃烧室相通。在压缩行程时，空气经通道进入预燃室产生强烈的无规则的紊流运动，喷入预燃室中的燃油，依靠空气的紊流运动形成混合气，小部分发火燃烧，使预燃室的压力急剧升高，大部分未燃烧的燃油连同燃烧产物经小直径通道高速喷入主燃烧室，由于窄小通道的节流作用，在主燃烧室内再次产生涡流，进一步与空气混合达到完全燃烧。
（5）分开式燃烧室可采用喷油压力较低和喷孔较大的轴针式喷油器。由于两级燃烧，柴油机工作柔和平稳。但由于燃烧室的面容比大，热损失较多，通道节流损失较大，所以起动性和经济性较差。通常被小型高速柴油机采用。