Polttomoottori on lämpömoottori, joka tuottaa lämpöenergiaa polttamalla polttoainetta. Myöhemmin se muuttaa tämän energian mekaaniseksi työksi tai reaktiovaikutukseksi.

Polttomoottorilla tarkoitetaan yleensä mäntäpolttomoottoria, mutta se on väärin, sillä polttomoottorin ei aina tarvitse olla vain mäntäpolttomoottori.