柴油潜艇一般通过柴油发动机和电动马达配合工作实现作战任务。其中柴油发动机负责潜艇在水面上航行和电瓶充电的动力来源。潜艇下水后则使用预先储备在电瓶中的电力航行。二战前荷兰则发明了呼吸管，德国改进后应用在他们的潜艇中。呼吸管可以伸长通气管将外界的空气引入柴油发动机，并排出发动机产生的废气，还能防止海水进入管线。这时柴油潜艇可以使用潜望镜深度下使用发动机。
早期的柴电潜艇动力系统包括柴油机、电动机、发动机和蓄电池。其中螺旋桨和采油机及电动力并联，在水面上工作时，使用柴油发动机，此时柴油发动机还为蓄电池供电。在水面下航行时，由于氧气有限，这时只使用蓄电池为电动马达供电，仅用电力推动螺旋桨工作。
在柴油潜艇引入呼吸管之前，潜艇进行换气和充电作业时必须浮出水面，而潜艇为了保证安全通常只能在夜间进行作业。潜艇引入呼吸管后，其只需将呼吸管伸出海面便能进行充电，它不仅降低了潜艇被发现的几率，还大大延长了潜艇的充电时机。然而呼吸管的缺点同样明显，柴油发动机在工作时会排出大量废气，天气晴朗的前提下3海里外都能目视看到。而且伸出的潜望镜发出的浪花也会被雷达所捕获。
通气管是潜艇获取空气的设备，它在二战时期开始大量装备。当时柴电常规动力潜艇在水下电池作为动力。但是需要潜艇上浮，柴油机工作进行充电，并补充压缩空气和更新潜艇内的空气。通气管能减轻潜艇暴露的几率。值得一提的是，使用通气管时会对航速有所要求，航速太快的话，严重时会折断通气管。
现代潜艇上也搭载有通气管。在核潜艇中，使用核反应堆而非电池，所以没有充电的需求。潜艇内部的氧气也可以从海水中分解而得，通气管通常用来补充压缩空气。
目前还有不依赖空气推进潜艇（绝氧推进系统），动力系统采用闭式循环柴油机、斯特林发动机和燃料电池。其中闭式循环柴油机能让柴油发动机像在水面运作一样，这时候使用的是制氧剂或压缩液态氧气。由于金属会在纯氧环境中燃烧，所以闭式循环柴油机中的氧气会加入杂质气体。
斯特林发动机是绝氧推进系统的关键部件。1816年伦敦牧师罗巴特斯特林发明了该装置，因此得名。这是一种闭循环活塞式发动机，闭循环意为膨胀和压缩介质一直保存在气缸中。斯特林发动机通过气体吸收热源的内能，热胀冷缩做功，然后接触冷源，气体压缩，使活塞复位。斯特林发动机又被称为外燃机。
图、斯特林发动机示意图
拥有绝氧推进系统潜艇的国家有俄罗斯、德国、瑞典、法国、西班牙和中国。日本虽然表面声称自己并无该技术，但从瑞典引进了斯特林发动机并由川崎重工生产。韩国同样也向瑞典申请引进该项技术。
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