Der Zylinderkopf zählt zu den kompliziertesten Gussteilen am Kraftfahrzeug. Ein- und Auslasskanäle für bis zu fünf Ventile, Hohlräume für die Motorsteuerung, das Kühlsystem, Steuerketten und evtl. Einzelfunkenspulen, Bohrungen für Schmier- und vereinzelt sogar Dieselkraftstoff und der obere Teil des Brennraumes muss in einem Bauteil vereinigt werden. Dieses sollte zusätzlich eine gute Wärmeleitfähigkeit, Formstabilität und eine geringe Wärmedehnung haben. Besonders beim Dieselmotor soll er hohe Drücke aushalten. Bei nassen Laufbuchsen oder bei luftgekühlten Motoren sorgt er auch noch für die nötige Spannung des Zylinders im Kurbelgehäuse.

Der Reihenmotor und der 15°- bzw. 10,6°-VR-Motor brauchen im Prinzip nur einen Zylinderkopf. Alle anderen Bauformen haben zwei. Motoren mit mehr als zwei Zylinderköpfen gab es in der Kfz-Geschichte bei den Sternmotoren. Bei Nutzfahrzeugen und noch stärkeren Dieselmotoren gibt es sogar Zylinderköpfe für jeden einzelnen Zylinder. Bei mehr als einer Zylinderbank verdoppelt sich bei Motoren mit obenliegender/n Nockenwelle(n) auch deren Anzahl. In aller Regel aus einer Aluminiumlegierung hergestellt, dichtet der Zylindrkopf den Brennraum nach oben hin ab. Hier entsteht während des Verbrennungsprozesses die meiste Wärme. Sie muss durch nahe Kühlkanäle abgeführt werden.

Bis auf die geringe Wärmedehnung erfüllt Aluminium die Anforderungen an den Zylinderkopf. Die Bewegungen gegenüber dem Zylinderblock bei Erwärmung müssen durch die Kopfdichtung und die Befestigung ausgeglichen werden.
Bei Überhitzung (z.B. durch Ausfall des Kühlsystems) kann sich der Zylinderkopf verziehen und undicht werden. Geringer Verzug von deutlich unter 0,5 Millimeter wird durch entsprechendes Schleifen (Planen) ausgeglichen. Entsprechend der Materialabnahme muss eine dickere Zylinderkopfdichtung eingebaut werden.

Einer der beiden Zylinderköpfe
des Porsche-911-Motors
mit Einzelfunkenspulen und
Einspritzanlage

Um eine Verspannung des Zylinderkopfes zu vermeiden, muss beim Anziehen (und eigentlich auch beim Losdrehen) der Schrauben eine bestimmte Reihenfolge unbedingt eingehalten werden. Im Prinzip soll der Zylinderkopf in der Mitte zuerst und dann nach außen hin langsam festgezogen werden. Mancher Hersteller verdeutlicht das durch eine Spirale, in der die einzelnen Schraubenköpfe in Anzugsreihenfolge angeordnet sind. Natürlich müssen auch das Drehmoment und ein eventueller Drehwinkel am Ende genauestens beachtet werden. Übertriebenes Anziehen kann u.a. sogar zu einer Verspannung des Zylinderblocks und zum Klappern der Kolben führen, auch wenn dieser aus Grauguss hergestellt ist.