允许混合气进入钢瓶的阀门是进气阀；废气通过排气阀逸出。它们被设计成在精确的时刻打开和关闭，以使发动机在任何速度下都能高效运转。
操作由旋转轴、凸轮轴上的梨形凸轮（称为凸轮）控制，凸轮轴由链条、皮带或曲轴上的一组齿轮驱动。
当凸轮轴安装在发动机缸体中时，小金属气缸挺杆位于每个凸轮上方的通道中，金属推杆从挺杆向上延伸到气缸盖中。每个推杆的顶部与一个摇臂相接，摇臂抵住气门杆，气门杆由一个强力螺旋弹簧（气门弹簧）保持在升起（关闭）的位置。
当推杆在凸轮上升起时，它使摇臂转动，摇臂顶着弹簧的压力向下（打开）推动阀门。随着凸轮凸角进一步旋转，气门弹簧起作用关闭气门。这称为顶置阀（OHV）系统。
有些发动机没有推杆；气门更直接地由气缸盖本身的单凸轮轴或双凸轮轴操作，即顶置凸轮系统。
由于凸轮轴和气门之间的运动部件较少，顶置凸轮（OHC）方法比带推杆的发动机效率更高，在给定的发动机容量下产生的功率更大，因为它可以以更高的速度运转。无论采用哪种系统，操作机构都必须有一定的自由间隙，这样当零件受热膨胀时，阀门仍然可以完全关闭。
气门杆和摇臂或凸轮之间必须有预设间隙挺杆间隙，以允许膨胀。挺杆间隙在不同的汽车上差别很大，错误的调整会产生严重的影响。
如果间隙过大，气门开得晚，关得早，会降低功率，增加发动机噪音。
间隙过小会妨碍阀门正常关闭，从而导致压缩损失。
有些发动机有自动调节挺杆，由发动机机油压力进行液压操作。
上置凸轮轴
带推杆的凸轮轴
顶置气门系统（OHV）由推杆操作，曲轴与缸体中的曲轴相邻并平行。
当曲轴转动时，每个气门都通过挺杆、推杆和摇臂打开。阀门由弹簧压力关闭。
凸轮轴驱动链链轮的齿数是曲轴链轮的两倍，因此凸轮轴的转速为发动机转速的一半。
上置凸轮轴发动机
顶置凸轮发动机需要较少的零件来操作气门。凸轮直接作用于筒式挺杆或短杆（称为指杆），而短杆又直接作用于气门杆。
该系统免除了额外的重量和机械复杂的推杆和摇臂。
一条长链条经常用来从曲轴上的链轮驱动凸轮轴，但这样长的链条往往会“摆动”。在某些设计中，通过安装中间链轮和两个较短的传动链（保持张紧），可以克服这个问题。
手指操作的上置凸轮轴
