最終燃料選擇鎖定在了石油裂解產物中壹直未被重視的柴油上。柴油相對於汽油來說性質非常穩定，比較難於點燃，同時柴油壹旦點燃會冒出大量的黑煙，因而它又不能像煤油那樣用作照明。但柴油穩定的特性卻恰恰適合於壓燃式內燃機，在壓縮比非常高的情況下柴油也不會出現爆震，這正是狄賽爾所需要的。經過近20年的潛心研究，狄賽爾終於在1892年試制成了第壹臺壓燃式內燃機，也就是柴油機。
這臺柴油機用汽缸吸入純空氣，再用活塞強力壓縮，使空氣體積縮小到15倍左右，溫度上升到500—700度，然後用壓縮空氣把霧狀柴油噴入汽缸，與缸中高溫純空氣混合，由於汽缸這是已經有了較高的溫度，因而柴油噴入後自行燃燒做功。1892年2月27日，狄賽爾取得了此項技術的專利。
柴油機的最大特點是省油，熱效率高，但狄賽爾最初試制的柴油機卻很不穩定，1894年，狄賽爾改進了柴油機並使其能運行1分鐘左右，盡管他的柴油機還並不穩定，但狄賽爾卻迫不及待的把它投入了商業生產，因為他的競爭對手早在1886年就把汽油機安裝車輛上，而8年之後，汽油機汽車已經投入了商業運作。這位只了解技術並不了解商業運作的發明家犯下了壹生中最大的壹次錯誤，他急於推向市場的20臺柴油機由於技術不過關，紛紛遭到了退貨，這不但給了他巨大的經濟負擔，更重要是影響了柴油機在公眾的印象，在隨後的幾年裏幾乎沒有廠家或個人樂意裝配柴油機。沒有了資金來源又負債累累，這就使得狄賽爾的晚年陷入了極端貧困。1913年10月29日，55歲的狄賽爾獨自壹人呆站在橫渡英吉利海峽的輪船甲板上，被巨浪卷入了大海（多數歷史學家認為狄賽爾是跳海自盡的）。為了紀念狄賽爾，人們把柴油發動機命名為Diesel。