允許混合氣進入鋼瓶的閥門是進氣閥；廢氣透過排氣閥逸出。它們被設計成在精確的時刻開啟和關閉，以使發動機在任何速度下都能高效運轉。

操作由旋轉軸、凸輪軸上的梨形凸輪（稱為凸輪）控制，凸輪軸由鏈條、皮帶或曲軸上的一組齒輪驅動。

當凸輪軸安裝在發動機缸體中時，小金屬氣缸挺杆位於每個凸輪上方的通道中，金屬推杆從挺杆向上延伸到氣缸蓋中。每個推杆的頂部與一個搖臂相接，搖臂抵住氣門杆，氣門杆由一個強力螺旋彈簧（氣門彈簧）保持在升起（關閉）的位置。

當推杆在凸輪上升起時，它使搖臂轉動，搖臂頂著彈簧的壓力向下（開啟）推動閥門。隨著凸輪凸角進一步旋轉，氣門彈簧起作用關閉氣門。這稱為頂置閥（OHV）系統。

有些發動機沒有推杆；氣門更直接地由氣缸蓋本身的單凸輪軸或雙凸輪軸操作，即頂置凸輪系統。

由於凸輪軸和氣門之間的運動部件較少，頂置凸輪（OHC）方法比帶推杆的發動機效率更高，在給定的發動機容量下產生的功率更大，因為它可以以更高的速度運轉。無論採用哪種系統，操作機構都必須有一定的自由間隙，這樣當零件受熱膨脹時，閥門仍然可以完全關閉。

氣門杆和搖臂或凸輪之間必須有預設間隙挺杆間隙，以允許膨脹。挺杆間隙在不同的汽車上差別很大，錯誤的調整會產生嚴重的影響。

如果間隙過大，氣門開得晚，關得早，會降低功率，增加發動機噪音。

間隙過小會妨礙閥門正常關閉，從而導致壓縮損失。

有些發動機有自動調節挺杆，由發動機機油壓力進行液壓操作。

上置凸輪軸

帶推杆的凸輪軸

頂置氣門系統（OHV）由推杆操作，曲軸與缸體中的曲軸相鄰並平行。

當曲軸轉動時，每個氣門都透過挺杆、推杆和搖臂開啟。閥門由彈簧壓力關閉。

凸輪軸驅動鏈鏈輪的齒數是曲軸鏈輪的兩倍，因此凸輪軸的轉速為發動機轉速的一半。

上置凸輪軸發動機

頂置凸輪發動機需要較少的零件來操作氣門。凸輪直接作用於筒式挺杆或短杆（稱為指杆），而短杆又直接作用於氣門杆。

該系統免除了額外的重量和機械複雜的推杆和搖臂。

一條長鏈條經常用來從曲軸上的鏈輪驅動凸輪軸，但這樣長的鏈條往往會“擺動”。在某些設計中，透過安裝中間鏈輪和兩個較短的傳動鏈（保持張緊），可以克服這個問題。

手指操作的上置凸輪軸