Успешная эксплуатация «Вандала» и аналогичного с ним «Сармата» доказала перспективность теплоходов, и в 1908 году на заводе было организовано Бюро тепловых двигателей. Специалисты бюро, изучив мировой и российский опыт в проектировании и постройке ДВС, перерабатывали техдокументацию применительно к Сормовскому заводу на основе приобретаемых лицензий.
15 апреля 1907 года был подписан договор с фирмой «Бронс» на передачу лицензии на так называемые «Бронс–моторы».
16 июня 1909 года было заключено соглашение с обществом Лиценмайера о поставке чертежей на постройку вертикальных стационарных нефтяных двигателей в 50, 70 100 л. с., приборов для реверсирования и горизонтальных машин в 50 л.с.
18 января 1911 года было приобретено право от «Русского общества двигателей Дизеля» на изготовление стационарных двигателей во всей области действия соответствующих патентов.
12 апреля 1912 года был подписан документ о том, что «профессор Юнкерс передает Сормову лицензию на постройку двухтактных нефтяных двигателей системы Юнкерс для производства их в России для торговых судов всех величин». У истоков сормовского дизелестроения стояли талантливые специалисты Г.В. Тринклер, В.В. Ганрио, Н.А. Изюмов и другие, а также иностранные инженеры Стефан и Штеблер.
«Для нас нефтяной двигатель имеет особое значение, так как нам необходимо идти не только в духе времени, но первенствующее положение завода на Волге заставляет нас быть впереди технического судостроительного прогресса, и самим указывать новые пути», – писал в своем отчете о заграничной командировке в январе 1909 года начальник бюро тепловых двигателей Г.В. Тринклер.
Главным консультантом завода по дизелям, винтам, валам, дейдвудам долгое время работал профессор Рижского политехнического института инженер Ричард Иванович Кларк.
Первыми изготовленными сормовичами машинами были одно- и двухцилиндровые четырехтактные бескомпрессорные дизели в 12, 25 и 40 л. с. Далее был освоен выпуск более крупных дизелей – горизонтальных, одно- и двухцилиндровых системы «Лиценмайер» мощностью от 50 до 200 л. с., с переводом их с керосина на тяжелую нефть и с переделкой форсунок.
По чертежам Коломенского завода строились вертикальные четырехтактные двигатели в 25, 35, 40, 450, 900 л. с. системы «Ман». Два дизеля этой марки в 450 и 900 л.с. были изготовлены и установлены на новой заводской электростанции. За освоение и отладку производства ДВС по чертежам «Лиценмайер–Сормово» и «Бронс–Сормово» в 1910 году на выставке в Екатеринославле и в 1912 году в Баку завод был награжден Большими Золотыми медалями.
В 1921 году бывший пушечный цех был переоборудован под дизелестроительный и оснащен новым станочным парком, в том числе станками собственного изготовления. Были созданы специальные стенды для отработки и испытаний машин.
В 1924–1925 годах по чертежам Коломенского завода небольшими партиями строились двухтактные нефтяные двигатели в 25 л. с. для тракторов. По требованию дизелестроителей и по инициативе начальника чугунолитейного цеха М.Л. Каждана был вне-рен метод добавки в шихту стальных отходов, что делало отливки более прочными.
В 1927 году для фабрики «Красный Перекоп» Ярославского хлопчатобумажного комбината был построен двухтактный дизель типа «Ман» мощностью 2000 л. с. при 110 оборотах в минуту, весом 250 т. После этого завод полностью перешел на выпуск четырехтактных компрессорных (К6-Ц 54/90) и четырехтактных бескомпрессорных двигателей (6БК-43, 3БК-43, 6БС-70).
Высокая культура и оснащенность дизельного цеха позволили всего за два года сдать заказчикам 86 единиц ДВС по 2150 л.с. и 27 единиц по 842 л.с.
С 1927 года началось изготовление главных ДВС для морских шхун КАСПАРа. Только в 1928 году построили восемь дизелей по 1400 л. с. Все нефтевозы, отправленные на Каспий в 1930-е годы (11 единиц), были укомплектованы главными и вспомогательными механизмами своей постройки.
В 1934 году на заводе был создан экспериментальный дизель марки 45ДР-4 по чертежам инженера Леухина. Началось строительство дизельных нефтеперекачечных плавучих станций с паровым котлом для подогрева мазута.
С 1935 года началась постройка дизельных землесосов. Производство ДВС увеличивалось из года в год. В том же году были отгружены две машины марки 6БК-42 для завода Марти; в 1936 году – два двигателя для Петрозавода и один – для завода имени Балицкого; в 1937 году – один для Петрозавода и три для Красноармейской верфи.
В 1938 году было построено четыре ДВС для подводных лодок, один отправлен на Камчатку, три – на Красноармейскую верфь. Для Ашхабадской электростанции 22 февраля 1938 года был сдан самый мощный в то время (4500 л.с.) стационарный двухтактный бескомпрессорный 6-цилиндровый дизель с продувочным насосом марки 6-ДД-60/90. Новинкой той поры стал полностью сварной ДВС типа БКРС-43 мощностью 300 л.с. Была решена проблема пусковых баллонов: освоен собственный сварной вариант взамен импортных.
В 1939 году, построив 626 ДВС (последним изготовили дизель 5ДД мощностью 3750 л. с.), сормовичи прекратили дизелестроение, оставив заметный след в этом виде техники.