La culasse est la partie qui ferme le haut des cylindres et les chambres de combustion. Les organes de distribution, c'est à dire les soupapes et leur système de commande y sont généralement logés, ainsi que la bougie d'allumage et/ou les injecteurs.

Sur les automobiles une seule culasse par rangée de cylindres constitue la partie supérieure principale du moteur. Par contre sur les gros diesels de poids-lourds, stationnaires et marins, pour autant que leur arbre à cames soit logé latéralement dans le bloc-cylindres et non en tête, on prévoit souvent des culasses individuelles moins sensibles à la déformation du plan de joint. Ce joint reste une des pièces – si ce n'est la pièce – la plus fragile d'un moteur moderne et de longues surfaces d'assemblage amplifient le problème.

Les culasses sont soumises à de fortes contraintes mécaniques et thermiques. Elles sont soigneusement refroidies par de larges chambres d'eau (ou des ailettes si le moteur est refroidi à air) qui entourent les chambres de combustion et les conduits d'échappement. Des passages dans le plan de joint relient ces chambres avec celles du bloc-cylindres. L'huile parvient sous pression à la distribution par des canalisations qui traversent le joint.

Les culasses d'automobiles sont généralement coulées en alliage d'aluminium pour des raisons de poids, de conductibilité thermique et de meilleures caractéristiques de fusion, alors que celles des gros diesels sont en fonte. Les deux images montrent une culasse du V8 "Northstar" de GM avec ses 4 soupapes par cylindres, ses deux arbres à cames et leurs variateurs de calage.

Certains anciens moteurs anciens ne comportaient pas de culasse détachable, celle-ci étant coulée d'une seule pièce avec le bloc-cylindres. Une autre façon de supprimer les difficultés au niveau du joint consiste à monter deux pistons opposés dans le même cylindre. Le cycle 2-temps est alors utilisé, un piston découvrant les lumières d'échappement et l'autre celles d'admission, ce qui procure un excellent balayage en équicourant. La course est doublée à vitesse de piston identique et le rendement thermodynamique est amélioré en raison d'un rapport surface/volume de la chambre de combustion plus favorable. Non seulement la culasse et son joint sont supprimés, mais également la distribution. Par contre il faut soit deux lignes d'arbre (2 vilebrequins), soit un embiellage complexe. Voire notre dossier "Le moteur à pistons opposés" .