В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Николауса Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики.
Использование цикла Аткинсона в двигателе позволяло уменьшить потребление топлива и снизить уровень шума при работе за счёт меньшего давления при выпуске. Кроме того, в двигателе Аткинсона для привода газораспределительного механизма не требовалось редуктора, так как коленчатый вал вращался с вдвое меньшей частотой, чем в двигателе Отто. Однако, такой двигатель плохо регулируется дроссельной заслонкой и на низких оборотах выдаёт сравнительно малый момент. Кроме того, в нём значительно усложнена конструкция кривошипно-шатунного механизма. Существовали и другие разновидности двигателя Аткинсона: двигатели со встречно движущимися поршнями, двигатели с одним поршнем и двумя коленчатыми валами.
Джеймс Аткинсон критически пересмотрев классическую концепцию двигателя, работающего по циклу Отто, понял, что её можно серьёзно улучшить. Так, например, у двигателя Отто на малых и средних оборотах при частично открытой дроссельной заслонке через разрежениe во впускном коллекторе поршни работают в режиме насоса, на что тратится мощность двигателя. При этом усложняется наполнениe камеры сгорания свежим зарядом топливо-воздушной смеси. Кроме этого, часть энергии теряется в выпускной системе, поскольку отработанные газы, покидающие цилиндры двигателя, всё ещё находятся под высоким давлением.
По концепции Аткинсона, впускной клапан закрывается не тогда, когда поршень находится у нижней мёртвой точки, а значительно позже. Цикл Аткинсона даёт ряд преимуществ.
Двигатель Аткинсона работает по так называемoмy циклу с увеличенной степенью расширения, при котором энергия отработавших газов используется в течение длительного периода. Это создаёт условия для более полного использования энергии отработанных газов и обеспечивает более высокую экономичность двигателя.
Основным отличием от цикла работы обычного 4-тактного двигателя (цикла Отто) является изменение продолжительности этих тактов. В традиционном двигателе все 4 такта (впуск, сжатие, рабочий ход и выпуск) одинаковы по продолжительности. Аткинсон же сделал два первых такта короче, а два следующих длиннее и реализовал это за счёт изменения длины ходов поршней. Считается, что его модификация двигателя была продуктивнee традиционной на 10%. В то время его изобретение не нашлo широкого применения, так как имелo большое количество недостатков, основным из которых стала сложность реализации этого изобретения, а именно обеспечение движения поршней с использованием оригинального кривошипно-шатунного механизма.