Дизель-мотор был запатентован 23 февраля 1892 года. Уже первые испытания показали: по эффективности ему не было равных. Дизель превосходил по экономичности паровые машины в четыре раза! Биографы Рудольфа Дизеля пишут, что в самой Германии отнеслись к новому изобретению своего соотечественника скептически. Тем не менее, в 1898 году он открывает свой собственный завод по производству двигателей внутреннего сгорания, а через два года - его филиал в Лондоне. Двигатель Дизеля начинает свой триумфальный путь по миру: помимо промышленности и электростанций его устанавливают на кораблях, железнодорожных локомотивах и автомобилях.

27 февраля 1892 года Дизель подает заявку на получение патента на «новый рациональный тепловой двигатель», который и получает в императорском патентном бюро в Берлине 23 февраля 1893 года под названием «Метод и аппарат для преобразования высокой температуры в работу» (зарегистрирован 28 февраля 1892 года). Второй патент с модифицированным циклом Карно был зарегистрирован 29 ноября 1893 года.

С 1893 года велись разработки нового двигателя на Аугсбургском машиностроительном заводе (с 1904 года M.A.N.) при финансовом участии компаний Фридриха Круппа и братьев Зульцер (Sulzer Brothers Ltd.) Первый функционирующий двигатель был создан Дизелем там же в 1897 году. Мощность двигателя составляла 20 лошадиных сил при 172 оборотах в минуту, КПД 26,2 % при весе пять тонн. Это намного превосходило существующие двигатели Отто с КПД 20 % и судовые паровые турбины с КПД 12 %, что вызвало немедленный интерес промышленности. Двигатель Дизеля сразу же нашёл применение, был оценён во многих странах. Но у себя на родине[где?][уточнить] Р. Дизель не нашёл признания и тяжело это переживал.

Двигатель Дизеля был четырёхтактным. Изобретатель установил, что КПД двигателя внутреннего сгорания повышается от увеличения степени сжатия горючей смеси. Но сильно сжимать горючую смесь нельзя, потому что тогда повышаются давление и температура и она самовоспламеняется раньше времени. И Дизель решил сжимать не горючую смесь, а чистый воздух. К концу сжатия воздуха в цилиндр постепенно под сильным давлением впрыскивалось жидкое топливо. Так как температура сжатого воздуха достигала 600—650 °C, топливо самовоспламенялось, и газы, расширяясь, двигали поршень. Таким образом Дизелю удалось значительно повысить КПД двигателя. К тому же здесь не нужна была система зажигания, а вместо карбюратора работал топливный насос.

1 января 1898 года Дизель открыл собственный завод по производству дизельных двигателей. Осенью 1900 года в Лондоне для этих целей регистрируется компания. Первый корабль с дизельным двигателем построен в 1903 году. В 1908 году построен первый дизельный двигатель малых размеров, первый грузовой автомобиль и первый локомотив на дизельном двигателе. В 1936 году впервые запущен в серию легковой автомобиль на дизельном двигателе (Mercedes-Benz 260 D). Его разработала компания «Даймлер-Бенц». В книге «Создание дизельного двигателя» (Die Entstehung des Dieselmotors, 1913) Рудольф Дизель описал историю своего изобретения.

Многочисленные патентные процессы подорвали здоровье Рудольфа Дизеля. Он лечился в санатории Нойвиттельсбах[нем.] (Мюнхен).