Zainspirowany zastosowaniem amoniaku w chłodnictwie, w latach 1883–1889 próbował uzyskać wyższą wydajność silnika cieplnego przy użyciu amoniaku, co jednak zakończyło się fiaskiem. W tym czasie zaczął pracować nad nową maszyną, w której parę zastąpiło wysoko sprężone powietrze. W 1890 roku przeprowadził się do Berlina, gdzie zasiadał w zarządzie spółki zajmującej się halami targowymi i chłodniami. W 1892 roku opatentował w Berlinie wynaleziony nowy rodzaj silnika wysokoprężnego, który wyprodukował w latach 1893–1897 w zakładach Buza w Augsburgu przy wsparciu finansowym Kruppa. Nowy wysokoprężny silnik pracował początkowo na benzynę, a wkrótce na ropę naftową. Zalety silnika w połączeniu z zastosowaniem taniego paliwa przyczyniły się do jego powszechnego użycia w przemyśle, przynosząc Dieslowi sławę i bogactwo.
W 1897 roku Diesel zaczął pracować nad projektem statku powietrznego. W 1898 roku założył fabrykę swoich silników w Augsburgu, a dwa lata później Diesel Engine Company w Anglii.