按汽缸数目和结构分类
摩托车发动机以汽缸数目分类，可以分为单缸发动机和多缸发动机，多缸发动机又分为双缸、三缸、四缸、五缸、六缸发动机，此外还有缸数更多的罕见发动机，如美国Boss Hoss公司502的八缸发动机和戴姆勒?克莱斯勒“战斧”的十缸发动机。
一般来说，单缸发动机因为曲轴每转两圈才燃烧一次，所以能明显地感到发动机工作的断续特征。因此，单缸发动机在低转速时会出现工作不够平稳的问题，可能容易使发动机熄火停转；在高转速时，则会出现困扰骑手的震动大问题。但是单缸发动机同样具有自身优势；结构简单，成本较低，维护容易，恶劣工作环境下故障率低。由于单缸发动机的曲轴短、质量轻，因此陀螺效应较小，转弯时轻便灵活、便于操控。一般来说，125毫升以下的小排量摩托车基本采用单缸发动机，工作环境恶劣的越野摩托车也大多采用单缸发动机。
二缸以上的发动机叫多缸发动机。多缸发动机的优点很多，例如运转平稳、圆滑、绵密，允许提高发动机的转速，有利于榨取更多的功率。但是多缸机的缺点也不少，比如体积大、质量大、结构较为复杂，因此制造成本和维护成本较高；对于直列多缸发动机来说，因为曲轴较长、质量较大，所以发动机的陀螺效应很明显，车辆转弯的时候骑手会感到比较吃力。总的来说，追求大功率、高速度的豪华舒适跑车、巡航摩托车、旅行摩托车倾向于采用多缸发动机。
按照汽缸布置方式分类，单缸发动机还可以分为立式发动机、卧式发动机，多缸发动机则可以分为纵置V形双缸发动机、横置V形双缸发动机、水平对置双缸发动机、L形双缸发动机、并列双缸发动机，直列三缸发动机，直列四缸发动机、V形四缸发动机、矩形四缸发动机，V形五缸发动机，水平对置六缸发动机等。
汽缸的布置方式，与车体设计、动力特性等密切相关，臂如以V形汽缸为例：与直列四缸发动机相比，V形结构可使曲轴长度变短，增强摩托车的灵活性能；发动机的节奏感强，哈雷摩托车最喜欢采用45度夹角的V形双缸发动机，以突出这种发动机节奏和脉动。当V形双缸发动机的夹角达到90度时又称为L形双缸发动机，特点是双缸所产生的振动可互相抵消。
不同的汽缸数量和汽缸布置方式，甚至成为各大厂家或者车型的招牌标志。比如，横置V形双缸发动机的代表是摩托?古兹，纵置V形双缸发动机的代表有哈雷?戴维森，L形双缸发动机的代表是杜卡迪，水平对置双缸发动机的代表是宝马，直列三缸发动机的代表是凯旋，直列四缸发动机的代表是日本各大厂家，矩形四缸发动机的代表是爱瑞尔（Ariel），V形五缸代表是MotoGP赛车RC211V和RC212V，水平对置六缸发动机的代表是“金翼”和“瓦尔基里”等。
