柴油潛艇一般通過柴油發動機和電動馬達配合工作實現作戰任務。其中柴油發動機負責潛艇在水面上航行和電瓶充電的動力來源。潛艇下水後則使用預先儲備在電瓶中的電力航行。二戰前荷蘭則發明了呼吸管，德國改進後應用在他們的潛艇中。呼吸管可以伸長通氣管将外界的空氣引入柴油發動機，并排出發動機産生的廢氣，還能防止海水進入管線。這時柴油潛艇可以使用潛望鏡深度下使用發動機。

早期的柴電潛艇動力系統包括柴油機、電動機、發動機和蓄電池。其中螺旋槳和采油機及電動力并聯，在水面上工作時，使用柴油發動機，此時柴油發動機還為蓄電池供電。在水面下航行時，由于氧氣有限，這時隻使用蓄電池為電動馬達供電，僅用電力推動螺旋槳工作。

在柴油潛艇引入呼吸管之前，潛艇進行換氣和充電作業時必須浮出水面，而潛艇為了保證安全通常隻能在夜間進行作業。潛艇引入呼吸管後，其隻需将呼吸管伸出海面便能進行充電，它不僅降低了潛艇被發現的幾率，還大大延長了潛艇的充電時機。然而呼吸管的缺點同樣明顯，柴油發動機在工作時會排出大量廢氣，天氣晴朗的前提下3海裡外都能目視看到。而且伸出的潛望鏡發出的浪花也會被雷達所捕獲。

通氣管是潛艇獲取空氣的設備，它在二戰時期開始大量裝備。當時柴電常規動力潛艇在水下電池作為動力。但是需要潛艇上浮，柴油機工作進行充電，并補充壓縮空氣和更新潛艇内的空氣。通氣管能減輕潛艇暴露的幾率。值得一提的是，使用通氣管時會對航速有所要求，航速太快的話，嚴重時會折斷通氣管。

現代潛艇上也搭載有通氣管。在核潛艇中，使用核反應堆而非電池，所以沒有充電的需求。潛艇内部的氧氣也可以從海水中分解而得，通氣管通常用來補充壓縮空氣。

目前還有不依賴空氣推進潛艇（絕氧推進系統），動力系統采用閉式循環柴油機、斯特林發動機和燃料電池。其中閉式循環柴油機能讓柴油發動機像在水面運作一樣，這時候使用的是制氧劑或壓縮液态氧氣。由于金屬會在純氧環境中燃燒，所以閉式循環柴油機中的氧氣會加入雜質氣體。

斯特林發動機是絕氧推進系統的關鍵部件。1816年倫敦牧師羅巴特斯特林發明了該裝置，因此得名。這是一種閉循環活塞式發動機，閉循環意為膨脹和壓縮介質一直保存在氣缸中。斯特林發動機通過氣體吸收熱源的内能，熱脹冷縮做功，然後接觸冷源，氣體壓縮，使活塞複位。斯特林發動機又被稱為外燃機。

圖、斯特林發動機示意圖

擁有絕氧推進系統潛艇的國家有俄羅斯、德國、瑞典、法國、西班牙和中國。日本雖然表面聲稱自己并無該技術，但從瑞典引進了斯特林發動機并由川崎重工生産。韓國同樣也向瑞典申請引進該項技術。

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