阿特金森循環與傳統發動機的工作循環相比，其最大特點就是做功行程比壓縮行程長，也就是我們常說的膨脹比大於壓縮比。更長的做功行程可以更有效地利用燃燒後廢氣殘存的高壓，所以燃油效率比傳統發動機更高一些。隻要明白瞭這一點，阿特金森循環就懂瞭七成。
1882年，James Atkinson發明瞭一款發動機，與當時的奧托循環發動機不同的是，這款發動機壓縮行程和做功行程時，活塞的位移是不一樣的。眾所周知發動機的工作過程分為進氣、壓縮、做功、排氣四個階段，傳統發動機四個階段活塞行程是相同的，而阿特金森循環是如何做到壓縮和做功階段行程不同的呢？
阿特金森發動機使用瞭較為復雜的連桿作為動力從活塞到曲軸的輸出，而活塞實際行程如下圖所示（阿特金森發動機活塞行程較長，動畫中未予表現）。
這種設計很巧妙，用不同的連桿機制協同工作，使得各個行程幅度不同，不僅有效的改良瞭進排氣情況，膨脹比大於壓縮比更是阿特金森發動機最大的特點。更長的膨脹行程可以更有效的利用燃燒後廢氣仍然存有的高壓，所以燃油效率也比奧托循環更高一些。
但如此復雜的結構實現起來並不容易，同時後期維護成本也很高。不過其節油特性又符合目前人們的需要，所以不少廠傢用發動機氣門相位調節器來控制進氣門晚關，取代瞭復雜的連桿機構，使發動機在進氣行程結束後進氣門仍在一段時間內保持開啟，這樣就將吸入的混合氣又吐出去一部分，更簡單的實現瞭膨脹比大於壓縮比的效果，模擬出瞭阿特金森循環工況，達到節油的效果。下圖為模擬阿特金森循環示意圖。
不過阿特金森發動機也有兩個突出缺點：
一、低速狀態下，進氣被上行的活塞頂出，進氣量不夠，動力不足；
二、高轉速狀態下，相對較長的膨脹行程會影響轉速的攀升，加速也不給力。
但這兩個“缺點”卻正好可以被混動車型利用，這是因為混動車型在車輛起步階段，由電動機驅動，電動機低速扭矩大，使車輛快速加速，以此來彌補瞭阿特金森循環發動機的動力性不足的缺陷，而到瞭中高速勻速行駛時，阿特金森循環的發動機熱效率高，又可以提高燃油的經濟性，所以市面上混動車都采用瞭阿特金森循環發動機。