約在1860年，奧托聽說艾蒂安·勒努瓦（1822年－1900年）最近發明了燃氣機──第壹臺可使用的內燃機。奧托認識到如果勒努瓦燃氣機能夠使用液體燃料來開動，它的用途就會大大地增多，因為在這種情況下它不必與壹個煤氣管道相連接。他很快就發明出壹種汽化器，但是他的專利申請卻被專利局否決了，因為已經有人發明出類似的裝置。
奧托並沒有因此而灰心喪氣，而是竭盡全力改革努勒瓦燃氣機。早在1861年，他就設想要制造壹臺基本上全新型的引擎，壹種使用四部沖程的引擎（與使用兩部沖程的努勒瓦原型引擎不同）。1862年2月，奧托制造出壹臺四部沖程引擎工作樣機。他在把這臺新引擎變得實用的過程中遇到了困難，特別是在點火裝置方面的困難，不久便把它擱置壹旁。但是他又發明了“常壓引擎”，壹種革新的二部沖程引擎，靠煤氣做動力。
1863年他獲得該項革新的專利權，不久就找到了壹個為他提供資助的夥伴，名叫尤金·蘭根。他倆建立了壹個小公司，繼續改進引擎。1867年他們的二部沖程引擎在巴黎世界博覽會上贏得壹枚金牌。從此銷路暢通；公司利潤暴長。1872年他們聘請才華非凡、管理經驗豐富的工程師戈特利葉博·戴姆勒幫助生產引擎。
雖然二部沖程引擎創利巨多，但是奧托還是念念不忘他最初設想的四部沖程引擎。他確信四部沖程引擎如果對燃料與空氣的混合物先壓縮後點火，就會比任何改進的勒努瓦二部沖程引擎在效率上都要高得多。1876年，奧托設計出來壹個改進的點火系統，有了這個系統就可以制造出壹臺實用的四部沖程引擎。第壹臺這樣的樣機於1816年5月制造出來了，翌年就獲得了壹項專利權。四部沖程引擎的功率和性能具有明顯的優越性，因此壹下子就打入了市場，大獲成功。僅在隨後的十年中就銷售了三萬多臺，各種類型的勒努瓦引擎很快就被淘汰了。
1886年，奧托因發明四部沖程引擎而獲得的德國專利權被壹項專利權起訴給推翻了。原來法國人阿爾方斯·博。羅夏在1862年設計出壹種基本相似的裝置，並獲得專利權。但是人們不應該把博·羅夏看作是壹位有影響的人物，他的發明也從未打入市場，實際上他也從未制造出壹臺樣機，奧托也不了解有關他發明的任何情況。奧托公司雖然失去了有價值的專利權，但是仍在繼續賺錢。到1891年他與德國科隆去世時，公司生意興隆，財值萬貫。
1882年戈特利葉·博·戴姆勒離開了該公司，他決心要把奧托引擎應用到交通工具上去。1883年，他發明壹種先進的點火系統（但不是今天普遍使用的那壹種），使引擎能以700—900轉/分的速率運轉（奧托引擎的最大速率為180－200轉/分），並且還煞費苦心制造出壹臺重量很輕的引擎。1885年他把壹臺引擎附系在壹輛自行車上，由此制造出世界上第壹臺摩托車。翌年戴姆勒制造出他的第壹輛四輪汽車。但是卡爾·本茲卻搶先壹步，他在幾個月前就制造出了他的第壹輛汽車──壹 輛三輪汽車── 壹輛無容否認的汽車。本茲的汽車與戴姆勒的汽車壹樣，也是用奧托引擎作動力。本茲引擎的轉速遠沒有達到400轉/秒的速率，這就不足以使他的汽車有實用價值。本茲不斷地改進自己的汽車，幾年內就成功地打入了市場。戈特利葉·博·戴姆勒的汽車比本茲的稍遲些打入市場，但也獲得了成功。最後，本茲和戴姆勒兩家公司合並成壹家，著名的默西迪斯—本茲牌汽車就是由這家合並公司生產的。