Die Nockenwelle hat die Aufgabe, die Ventile zum richtigen Zeitpunkt und in festgelegter Reihenfolge zu öffnen und durch die Ventilfeder wieder zu schließen. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle entweder direkt oder durch Stirnräder bzw. von mehr als einer Steuerkette angetrieben. Das [[Übersetzungsverhältnis ]] beträgt 2 : 1, d. h. die Nockenwelle rotiert halb so schnell wie die Kurbelwelle.
Es wird zwischen unten- und obenliegenden Nockenwellen unterschieden. Die untenliegende Nockenwelle befindet sich im Motorblock, während die Ventile hängend im Zylinderkopf arbeiten. Die Ventile werden mittels Stößelstangen und Schlepphebel von der Nockenwelle gesteuert. Diese Bauart wird eigentlich nur noch bei amerikanischen "Bigblocks" und LKWs verwendet, da keine hohen Drehzahlen möglich sind. Eine bzw. zwei obenliegende Nockenwellen sind im Zylinderkopf eingebaut und treiben die Ventile über Kipp-, Schlepphebel oder direkt über Tassenstößel an. Durch eine mechanische oder hydraulische Verstellung können sich die Steuerzeiten abhängig von der Motordrehzahl ändern.
OHC- und DOHC-Bauweisen sind bei Hochleistungsmotoren bereits seit Beginn des 20. Jahrhunderts bekannt.
Ggegen Gegen Ende der 1950er traten OHC-Motoren im Pkw-Bereich auf. Pioniere waren Alfa Romeo, BMW, Lloyd bei den letzten Alexander-Modellen und NSU. Der Durchbruch in der Masse gelang allerdings erst mit dem Antrieb durch einen Zahnriemen.
Die komplizierte Führung von Steuerkette und Zahnriemen ist der Grund dafür, dass die OHV-Bauweise bei Lkw und vielen amerikanischen Fahrzeugen mit V-Motor bevorzugt wird: Hier genügt eine zentrale Nockenwelle, die von einer kurzen Kette oder einem Zahnradpaar angetrieben werden kann.
