La fase di compressione si realizza quando il pistone, dal Punto Morto Inferiore, inizia a risalire; in un motore a quattro tempi, all'inizio di questa fase la valvola di aspirazione è ancora aperta per sfruttare gli effetti inerziali della massa fluida presente nel condotto di aspirazione.
La valvola viene poi chiusa e la miscela, nel caso di motore a ciclo Otto senza iniezione diretta, l'aria, nel caso di motore a ciclo Diesel, viene compressa fino a raggiungere il valore minimo di volume del ciclo termodinamico. Nel motore due tempi il funzionamento è pressoché identico, ma non sono presenti le valvole.