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ピストンエンジンでは、シリンダーヘッドはシリンダーの上に位置し、燃焼室の天井を形成します。[ 1 ]サイドバルブエンジンでは、ヘッドはスパークプラグと場合によっては放熱フィンを含む単純な金属板です。より現代的なオーバーヘッドバルブおよびオーバーヘッドカムシャフトエンジンでは、ヘッドは吸気および排気通路、多くの場合冷却水通路、バルブトレインコンポーネント、および 燃料インジェクターも含む、より複雑な金属ブロックです。
ピストンエンジンは通常、シリンダーバンクごとに1つのシリンダーヘッドを備えている。
現代の「ストレート」（直列）レイアウトのエンジンのほとんどは、すべてのシリンダーに空気を供給する単一のシリンダーヘッドを使用している。
「V型」レイアウトまたは「フラット型」レイアウトのエンジンは通常、2つのシリンダーヘッド（各シリンダーバンクに1つずつ）を使用しますが、フォルクスワーゲンVR5およびVR6エンジンなどの一部の「狭角」V型エンジンは、2つのバンクにまたがる1つのシリンダーヘッドを使用します。
ほとんどの星型エンジンは、各シリンダーに1つのシリンダーヘッドを備えていますが、通常はシリンダーと一体化したモノブロック構造となっています。これはオートバイでもよく見られる構造で、このようなシリンダーヘッド一体型部品は「バレル」と呼ばれます。
特に産業用、船舶用、発電用、大型牽引用（大型トラック、機関車、重機など）に製造される中型および大型ディーゼルエンジンの中には、各シリンダーに個別のシリンダーヘッドを備えているものがあります。これにより、故障したシリンダーのヘッド1つだけを交換すれば済むため、すべてのシリンダーに適合する大型で高価なユニットを交換する必要がなくなり、修理コストを削減できます。また、このような設計により、エンジンメーカーは新しいシリンダーヘッドの設計を必要とせずに、レイアウトやシリンダー数の異なる「ファミリー」エンジンを容易に製造できます。
フラットヘッド（サイドバルブ）エンジンでは、バルブトレインのすべての部品がシリンダーブロック内に収められているため、シリンダーヘッドは通常、エンジンブロックの上部にボルトで固定された単純な金属板です。サイドバルブエンジンはかつては広く普及していましたが、現在では自動車ではほとんど使われなくなり、芝刈り機、草刈り機、チェーンソーなどの小型エンジンにほぼ限定的に使用されています。
吸気オーバー排気（IOE）エンジンは、サイドバルブ式とオーバーヘッドバルブ式の要素を組み合わせたエンジンです。1900年代初頭にアメリカのオートバイで広く採用されたIOEエンジンは、1990年代まで限定的な生産が続けられました。IOEエンジンはサイドバルブ式エンジンよりも効率が良い反面、構造が複雑で大型化し、製造コストも高くなります。
オーバーヘッドバルブ（OHV）エンジンまたはオーバーヘッドカムシャフト（OHC）エンジンでは、シリンダーヘッドにポートと呼ばれる複数の空気通路があります。吸気ポートは吸気マニホールドから燃料と空気の混合気を燃焼室に送り込み、排気ポートは燃焼室から排気マニホールドへ燃焼廃ガスを排出します。 バルブはポートを開閉し、吸気ポートは排気ポートに対して前後方向にオフセットされています。シリンダーヘッドには点火プラグも含まれており、水冷エンジンでは冷却水通路も設けられています。
エンジンブロック内に配置された単一のカムシャフトが、プッシュロッドとロッカーアームを使用してすべてのバルブを作動させる。
OHVエンジンは一般的に同等のOHCエンジンよりもコンパクトで、部品点数が少ないため製造コストも安くなるが、一部のアメリカ製V8エンジンを除いて、OHC設計にほぼ取って代わられている。
オーバーヘッドカムシャフト（OHC）エンジンは、カムシャフトを燃焼室上部のシリンダーヘッド内に配置します。プッシュロッドをなくすことでバルブトレインの慣性が低減され、ポート設計を最適化するためのスペースが確保されるため、出力向上につながります。
シングルオーバーヘッドカムシャフト（SOHC）エンジンでは、カムシャフトはバルブ列の中央、またはバルブ列の真上に配置される（ロッカーアームによる作動をタペットに置き換える）。SOHCエンジンは1960年代から1990年代にかけて広く普及した（プッシュロッドは廃止されたが、ロッカーアームは引き続き使用される）。
ダブルオーバーヘッドカムシャフト（DOHC）エンジンは、オフセットバルブの各列（吸気バルブが内側、排気バルブが外側）の真上にカムシャフトを配置します。[ 2 ] DOHC設計により、バルブの最適なクロスフロー配置が可能になり、高回転での運転が可能になります。通常、同等のOHVまたはSOHCエンジンよりもサイズが大きく（特に幅が）なります。部品が増えることで製造コストが上昇しますが、DOHCエンジンは1990年代以降、自動車エンジンで広く使用されています。
