Das Ventil, das das Gemisch in den Zylinder einlässt, ist das Einlassventil; das Ventil, durch das die Abgase entweichen, ist das Auslassventil. Sie sind so konstruiert, dass sie sich zu bestimmten Zeitpunkten öffnen und schließen, damit der Motor bei allen Drehzahlen effizient arbeiten kann.
Der Betrieb wird durch birnenförmige Nocken, Nocken genannt, auf einer rotierenden Welle, der Nockenwelle, gesteuert, die von einer Kette, einem Riemen oder einem Zahnradsatz von der Kurbelwelle angetrieben wird.
An der Stelle, an der die Nockenwelle im Motorblock montiert ist, sitzen in Kanälen oberhalb jedes Nockens kleine Metallstößel, von denen sich Metallstößel nach oben in den Zylinderkopf erstrecken. Das obere Ende jeder Stößelstange trifft auf einen Kipphebel, der am Schaft eines Ventils anliegt, das von einer starken Spiralfeder, der Ventilfeder, in einer angehobenen (geschlossenen) Position gehalten wird.
Wenn die Stößelstange auf der Nocke ansteigt, schwenkt sie den Kipphebel, der das Ventil gegen den Druck seiner Feder nach unten (offen) drückt. Wenn sich die Nocke weiter dreht, schließt die Ventilfeder das Ventil. Dies wird als OHV-System bezeichnet.
Einige Motoren haben keine Stößelstangen; die Ventile werden direkter von einzelnen oder doppelten Nockenwellen im Zylinderkopf selbst betätigt, dem so genannten Overhead-Cam-System.
Da es weniger bewegliche Teile zwischen der Nockenwelle und dem Ventil gibt, ist die Overhead-Cam-Methode (OHC) effizienter und erzeugt mehr Leistung bei einem gegebenen Hubraum als ein Motor mit Stößelstangen, da er mit höheren Drehzahlen arbeiten kann. Bei beiden Systemen muss ein gewisses Spiel im Antriebsstrang vorhanden sein, damit das Ventil auch dann noch vollständig schließen kann, wenn sich die Teile durch die Hitze ausgedehnt haben.
Ein voreingestelltes Stößelspiel ist zwischen dem Ventilschaft und dem Kipphebel oder der Nocke unerlässlich, um die Ausdehnung zu ermöglichen. Das Stößelspiel ist bei verschiedenen Fahrzeugen sehr unterschiedlich, und eine fehlerhafte Einstellung kann schwerwiegende Folgen haben.
Ist das Spiel zu groß, öffnen sich die Ventile spät und schließen früh, was die Leistung verringert und das Motorgeräusch erhöht.
Bei einem zu kleinen Spiel können die Ventile nicht richtig schließen, was zu einem Kompressionsverlust führt.
Einige Motoren haben selbsteinstellende Stößel, die hydraulisch durch den Öldruck des Motors betätigt werden.