Bei nicht aufgeladenen Saugmotoren entsteht durch das Ansaugen der Kolben ein Unterdruck im Ansaugtrakt, der mit steigender Drehzahl zunimmt und die maximale Motorleistung begrenzt. Eine Lösung gegen diese Limitierung ist die Turboaufladung: Ein Abgasturbolader besteht aus einer Turbine im Abgasstrom, die über eine Welle mit einem Verdichter im Ansaugtrakt verbunden ist. Die Turbine wird durch die schnell strömenden, heißen Abgase in Rotation versetzt und treibt den Verdichter an. Dieser erhöht den Druck im Ansaugtrakt so, dass während des Ansaugtaktes eine größere Luftmenge in den Zylinder gelangt. Damit steht mehr Sauerstoff für die Verbrennung einer entsprechend größeren Kraftstoffmenge zur Verfügung – der Motor-Mitteldruck und das Drehmoment steigen, die Leistungsabgabe wächst.

Die Energie für die Aufladung wird durch die Abgasturbine den heißen Abgasen entnommen. Diese Energie, die sonst durch den Auspuff verloren ginge, verringert die Ansaugverluste. Durch die Aufladung steigt grundsätzlich der Gesamtwirkungsgrad einer Maschinenanlage. Turbolader ermöglichen es Motoren mit gleicher Baugröße, gegenüber unaufgeladenen Motoren größere Leistungen zu erzielen, ohne dass grundsätzlich andere Maschinenparameter geändert werden müssen. Der deutlich höhere Spitzendruck im Verbrennungsraum sowie das entsprechend höhere Motor-Drehmoment erfordern allerdings meist stärkere Dimensionierungen von Lagern und Wandstärken.

Im Gegensatz zum Saugmotor, in dem sich die Luft während des Ansaugens durch den Unterdruck adiabatisch abkühlt, kommt es bei aufgeladenen Motoren durch die Komprimierung zu einer deutlichen Erwärmung der Ladeluft. Je nach Grad der Aufladung kann bei Serienmotoren die komprimierte Luft bis über 200 °C erwärmt werden. Neben der zusätzlichen Temperaturbelastung des Motors verringert sich dadurch auch die erreichbare Leistung, da sich der Füllungsgrad des Motors verschlechtert. Um das zu vermeiden, wird die Ladeluft bei praktisch allen modernen aufgeladenen Motoren durch Ladeluftkühler gekühlt. Da der Ladeluftkühler dem Strom der Ladeluft einen gewissen Widerstand entgegensetzt und so den Ladedruck etwas vermindert, sollte die Temperaturdifferenz der Ladeluftkühlung größer als circa 50 Kelvin sein, um eine wirksame Leistungssteigerung gegenüber einem Motor ohne Ladeluftkühlung zu erzielen.

Um den Ladedruck an unterschiedliche Lastbedingungen anzupassen, kommen verschiedene Regelungssysteme zum Einsatz. Bei der VTG-Technik (Variable Turbinengeometrie) werden verstellbare Leitschaufeln in der Turbine eingesetzt, die den Abgasstrom und damit die Turbinenleistung variabel steuern. Eine weitere Regelvariante ist das Wastegate-Ventil, das einen Teil des Abgasstroms an der Turbine vorbeileitet, sobald ein festgelegter Ladedruck erreicht ist. Beide Systeme verhindern eine Überlastung des Motors durch zu hohen Ladedruck.