传统机械式燃油喷射系统，主要包括：油箱、低压输油泵、燃油滤清器、高压燃油泵、喷油器以及油管等。工作过程是：发动机曲轴通过齿轮带动喷油泵的凸轮轴转动，把燃油从油箱送到输油泵，形成低压，再经过燃油滤清器，一部分供给高压的喷油泵，另一部分回到油箱。进入喷油泵的燃油，通过高压油管输送到喷油器，当压力超过喷油器的开启压力时，喷油器开启，进行喷油。
柴油喷油泵的控制依赖于发动机，主要体现在：发动机给喷油泵提供动力，发动机每旋转2圈各缸做功1次，喷油泵旋转1圈，对各缸进行1次燃油喷射。这样来看，喷油泵喷油的大体时刻就由发动机间接控制，并且柴油机供油压力随发动机转速的变化较大。喷油提前器是在发动机转数较高的时候使喷油泵的凸轮轴相应地提前一个角度，满足发动机高速时的要求。调速器是通过感应元件感知发动机的各种工况，对柴油发动机进行控制，主要是满足怠速时的稳定性和超过标定转速时的断油，其余工况依靠感应元件和调速器内的弹簧的平衡来稳定发动机的转速。
机械柴油喷射与电控共轨柴油喷射的差异主要表现在燃油的供给方式和对喷油时刻的选择上。
传统机械式喷油系统高压油管内的油压是瞬间脉动高压，主要是由柱塞连续供油形成的。这种脉动对于喷油器喷油的稳定性有很大的影响，使得喷油器容易产生喷油波动，在高压油管中使燃油产生压力波，压力波在高压油管中来回振荡，在下一循环中会产生波动的叠加或减弱效应。由此，喷出的油雾颗粒不均匀，易出现二次喷射或多次喷射，从而燃烧不充分，经济性变差，动力性下降，热效率降低，排放物增加。
传统机械式喷油系统的喷油量主要是受负荷的影响，负荷调整喷油量即通过提前器和调速器对此油量进行修正，但不能实现精确的控制。