Khoảng thời gian từ thời điểm xuất hiện áp suất nổ đến điểm xuất hiện nhiệt độ đốt cháy tối đa là giai đoạn đốt chính.
Đặc điểm của giai đoạn này là việc phun nhiên liệu đã kết thúc, hầu hết nhiên liệu được đốt cháy trong giai đoạn này, khoảng 80% tổng nhiệt được giải phóng và nhiệt độ khí tăng lên mức cao nhất. Tuy nhiên, do sự chuyển động xuống của piston, thể tích xi lanh tăng lên, do đó áp suất trong xi lanh không thay đổi nhiều. Nguồn cung dầu kết thúc ở giai đoạn này.