Cykl Atkinsona stanowi rozwinięcie powszechnie znanego cyklu Otta, wykorzystywanego od 1876 roku w konstrukcji silników spalinowych. Nazwa pochodzi od jego twórcy James`a Atkinsona. Skonstruował w 1882 roku silnik, w którym skoki tłoka podczas suwu pracy i wydechu były nieco większe, niż w suwach ssania i sprężania. Dzięki tej innowacji udało się poprawić wydajność paliwową silnika o zapłonie iskrowym, w którym prawie cała energia gazów spalinowych jest wykorzystana do poruszania tłoka.
Cztery podstawowe etapy cyklu Otto (ssanie, sprężanie, praca, wydech), pozostały niezmienione. Różnicę stanowi rozwiązanie, w którym skok tłoka podczas suwu pracy i wydechu jest nieco większy niż w suwach ssania i sprężania. Pierwotnie udało się to osiągnąć dzięki skomplikowanej budowie układu korbowo-tłokowego.
We współczesnych silnikach wykorzystujących cykl Atkinsona, efektywny suw sprężania jest również krótszy od suwu pracy. Uzyskano to jednak nie poprzez układ korbowo-tłokowy, a dzięki mechanizmowi zmiennych faz rozrządu. Zawór ssący zamyka się później niż w cyklu Otto, po rozpoczęciu suwu sprężania. Część mieszanki paliwowo-powietrznej jest cofana do kolektora ssącego. W konsekwencji ilość gazów spalinowych powstałych z jej spalenia jest mniejsza i jest w stanie rozprężyć się całkowicie przed rozpoczęciem suwu wydechu. Prawie cała energia jest przekazywana tłokowi (sprężanie mniejszej ilości mieszanki wymaga mniejszej ilości energii, co wpływa na zmniejszenie wewnętrznych strat silnika). Dodatkowo, w rozbudowanych systemach zmiennych faz rozrządu, zmienia się nie tylko moment otwarcia zaworów dolotowego i ssącego, lecz także ich wznios.
Wykorzystanie tych silników w napędach hybrydowych daje najlepsze efekty, ponieważ z jednej strony są wydajniejsze niż tradycyjne, a pewne niedostatki mocy mogą są niwelowane przez wspomaganie silnikiem elektrycznym.