Auch Dieselmotoren lassen sich als Zweitakter auslegen, und diese Idee entspricht durchaus den ursprünglichen Vorstellungen ihres Erfinders. Im Gegensatz zu den meisten Ottomotoren findet beim Diesel die Gemischbildung im Brennraum statt. Die angesaugte reine Luft wird vom Kolben derart hoch verdichtet, dass allein dadurch der Flammpunkt des Kraftstoffs erreicht wird, der in diesem Moment unter sehr hohem Druck in den Brennraum eingespritzt wird. Beim Viertakt-Diesel folgt auf den Arbeitstakt noch der Auspufftakt, bevor der Zyklus mit dem Ansaugen von vorn beginnt.
Zweitakt-Diesel sind im Gegensatz zu ihren mit Benzin betriebenen Verwandten sehr aufwendige Konstruktionen, weil sie in der Turbo-Variante am besten funktionieren und trotzdem nicht ohne Ventile und Ölkreislauf auskommen: Kurz bevor der Kolben im Arbeitstakt den unteren Totpunkt erreicht, gibt er die Lufteinlassschlitze in der Zylinderwand frei. Gleichzeitig öffnet das Auslassventil. Ein Turbolader oder Kompressor bläst nun mit großen Mengen Spülluft das Abgas aus dem Zylinder. Dann schließt das Auslassventil und der Kolben komprimiert die Frischluft, bis sie die richtige Einspritztemperatur erreicht hat.

Zweitakt-Dieselmotoren arbeiten auch mit großen Hubräumen sehr effektiv. Der Grund dafür ist die Aufladung. Anders als beim Zweitakt-Ottomotor wird kein Kraftstoff-Luft-Gemisch zum Herausblasen des Abgases verwendet, sondern reine Luft. Es gelangt also kein unverbrannter Kraftstoff in den Auspuff. (Im Bild ein Krupp-Zweitaktdiesel mit Roots-Gebläse).
Der Vorteil, dass bei dieser Konstruktion jeder Zylinder bei jeder Kurbelwellenumdrehung einmal arbeitet, wird durch hohen technischen Aufwand erkauft. Ein weiterer Grund für das Aussterben der Zweitakt-Diesel war die Tatsache, dass eine direkte Wasserkühlung der Zylinderlaufbuchsen wegen der Einlassschlitze kaum möglich war. Mit großen Gebläsen luftgekühlt, waren die ohnehin lauten Lkw-Zweitakt-Diesel dann echte Nervensägen.