Il dispositivo è costituito da due cilindri nei quali scorrono in modo interdipendente due pistoni. Le aste dei due pistoni sono munite, lateralmente e sul retro, di cremagliera. Ciascuna delle due cremagliere, sul retro delle aste, ingrana una ruota dentata; le due ruote dentate sono innestate su un medesimo asse che muove un volano posto lateralmente al dispositivo. Le due cremagliere, poste lateralmente alle aste, ingranano una terza ruota dentata che fa da bilanciere rendendo solidali i due pistoni.
Lateralmente alle aste dei pistoni, sul lato opposto alle cremagliere e in corrispondenza del primo dente di queste, due piolini, uno per ciascuna asta, comandano alternativamente l'apertura e chiusura delle valvole delle camere di espansione, tramite i due sistemi forchetta-asta-spina che scorrono sul fronte di ciascun cilindro.
Le camere di espansione sono poste sul fondo dei cilindri e tra le rispettive valvole è situato un semicilindro tronco conico con tre aperture che distribuisce la miscela combustibile.
Il dispositivo è montato su una massiccia struttura che fa da base; in questa sono fissati i due cilindri e da questa partono due montanti che sostengono l'asse con le due ruote dentate e il volano. I cavallotti dei montanti, superiormente, presentano due vasi metallici con funzione di oliatori.

Il Barsanti-Matteucci proposto in questa riproduzione è un motore a scoppio bicilindrico, di tipo gravioatmosferico, ad azione differita alla corsa di ritorno del pistone, con movimento in controfase degli stantuffi.
E' alimentato a miscela d'idrogeno e aria, con accensione mediante scintilla elettrica e carburazione all'atto della carica. Il ciclo di funzionamento è a tre tempi (aspirazione, scoppio e scarico).
In questo tipo di motore l'azione motrice, sull'albero, non è data direttamente dall'impulso dell'espansione (che provoca la salita del pistone nella corsa di andata), ma dall'azione combinata della pressione atmosferica e del peso del pistone (che provocano la discesa del pistone nella corsa di ritorno).
Questa soluzione dell'azione differita, consentendo un elevato rapporto di espansione, garantiva all'epoca un rendimento termico superiore rispetto ai motori ad azione diretta, come il motore Lenoir.
Il "nuovo motore" di Barsanti e Matteucci è la prima concreta risposta all'esigenza di sostituire i motori a vapore con dispositivi più efficienti, economici e snelli, affidabili e adatti a diverse applicazioni.
Dal 1851 un sodalizio umano e intellettuale unisce Padre Eugenio Barsanti, religioso dell'ordine degli Scolopi, e l'ingegner Felice Matteucci. I due inventori lavorano intorno all'idea di un dispositivo che sfrutti lo scoppio di una miscela gassosa per ottenere movimento.
In due anni, con i contributi teorici di Barsanti e le competenze meccaniche di Matteucci, realizzano il primo motore a scoppio. Per tutelare la priorità sull'invenzione depositano una memoria all'Accademia dei Georgofili, già custode di documenti sulle innovazioni tecnico-scientifiche in assenza di un Ufficio Brevetti nazionale.
Nel 1854 i due inventori ottengono una prima certificazione a Londra, a cui seguiranno brevetti in diverse nazioni europee. Intanto il loro motore trova le prime concrete applicazioni: un esemplare, realizzato alla Fonderia Benini di Firenze, viene impiegato nel 1856 presso le Officine della Stazione ferroviaria Maria Antonia, dove aziona una forbice e un trapano. E' il primo motore a combustione interna applicato al movimento di macchine utensili.
Negli anni successivi Barsanti e Matteucci continueranno a perfezionare il loro motore sviluppando vari modelli e ottenendo nuovi brevetti.
Nel 1861 fonderanno la Società del Nuovo Motore e faranno realizzare i loro dispositivi dalla Escher Wiss di Zurigo, dalla Bauer di Milano, dalle Officine John Cockerill in Belgio.
La Società, gravata da difficoltà imprenditoriali, durerà solo pochi anni. Determinanti, nella sorte dell'impresa, risulteranno i problemi di salute di Matteucci, la morte prematura di Barsanti, e, in generale, l'afflizione dei due inventori per la mancata affermazione del loro motore.
Nonostante i documenti attestanti la priorità dell'invenzione, la comprovata superiorità tecnica e il riconoscimento tributato dagli ambienti specializzati, l'invenzione di Barsanti e Matteucci sarà offuscata -presso i contemporanei e nella storia della motoristica- dalla fama di altri dispositivi: il motore Lenoir (1860) di rendimento inferiore ma reso popolare da un'ottima intuizione pubblicitaria, e il motore Otto e Langen (1867), iridato all'Esposizione Universale di Parigi del 1867, identico nell'essenza al motore Barsanti e Matteucci.
Il contributo pionieristico di Barsanti e Matteucci nella genesi del motore a scoppio è oggi riconosciuto a livello internazionale.
Rispetto alle fonti indicate in bibliografia si segnala il seguente punto d'attenzione: nel 1861, a Firenze, alla Prima Esposizione Italiana di Arti e Manifatture, il motore Barsanti e Matteucci è atteso. Alcune fonti testimoniano la sua presenza, altre invece sono discordi su questo punto.

Orsi G., I motori Barsanti e Matteucci : e : l'invenzione del motore a scoppio : brevi note storiche - tecniche - illustrative, Camaiore, Tipografica Benedetti, 1943

Brusotti F., Dell'impiego del gas luce : come forza motrice : applicabile alla piccola industria : colla : macchina Lenoir : o meglio con quella : Barsanti e Matteucci, Milano, Tipografica di Alessandro Lombardi, 1864

Levi-Cases A., Il motore Barsanti e Matteucci : con speciale riguardo alle ricerche che ne precedettero la realizzazione ed alla individualita' del principio informatore della realizzazione stessa, Padova, Società Cooperativa Tipografica, 1929

Alfani G., Una grande invenzione italiana, il motore a scoppio Barsanti-Matteucci (1853), Firenze, Tipografica Barbera, 1931

Colombo G., L'esposizione italiana in Firenze : Le industrie meccaniche - meccanica generale, in Scritti e discorsi scientifici, Firenze, Ulrico Hoepli, 1934, II, p. 875 e seg.

Guide Bettini, Viaggio : attraverso l'esposizione italiana : del 1861, Firenze, Andrea Bettini Libraio Editore, 1861

Borchi E., Macii R., Ricci G., Barsanti & Matteucci : i padri del motore a scoppio : un'invenzione che ha rivoluzionato il mondo, Lucca, Fondazione Barsanti e Matteucci, 2005

Martini T., Breve storia del motore Barsanti-Matteucci, Venezia, Ferrari, 1907

Borchi E., Macii R., Ricci G., motori della Scuola fiorentina : documenti sui primo studi del motore a scoppio tra il 1853 e il 1868, Lucca, Fondazione Barsanti e Matteucci, 2003

Orsi G., Padre Eugenio Barsanti e il 1. Centenario dell'invenzione del motore a scoppio Barsanti e Matteucci 1853-1953, Pietrasanta, Comune di Pietrasanta, 1954

A. Levi - Cases, Il motore Barsanti e Matteucci