引擎的凸轮轴装置在汽缸盖顶部，而且只有单一支凸轮轴，一般简称为OHC (顶置凸轮轴，Over Head Cam Shaft)。凸轮轴透过摇臂驱动汽门做开启和关闭的动作。
在每汽缸二汽门的引擎上还有一种无摇臂的设计方式，此方式是将进汽门和排汽门排在一直线上，让凸轮轴直接驱动汽门做开闭的动作。有VVL装置的引擎则会透过一组摇臂机构去驱动汽门做开闭的动作。
单顶置凸轮轴（SOHC）1987年款本田 CRX Si.（Honda CRX Si.）的单顶置凸轮轴汽缸盖。
单顶置凸轮轴是一种在汽缸盖内只设置一支凸轮轴的设计。采用这一设计的直列汽缸引擎只需在汽缸盖上方安装一支凸轮轴，而V形汽缸引擎则需要两支凸轮轴，分别安装在一侧汽缸组之上。
单顶置凸轮轴设计中，需要往复运动的部件及其总质量较同等条件下的推杆式引擎显著减少。因此单顶置凸轮轴能提高引擎转速，从而在输出扭矩相同的情况下提高引擎的功率输出。在这一设计中，凸轮轴能够直接或通过摇臂控制气门开闭，而不需像顶置气门的推杆式引擎一样，需要通过挺杆、较长的推杆以及摇臂将引擎组内凸轮轴上凸轮的运动传递到汽缸盖内的气门上。
相比于推杆式结构，单顶置凸轮轴设计能使引擎结构（主要是配气结构）更加紧凑。这一优势在同时采用多气门设计（即一个汽缸有两个以上的气门）时特别显著。不过有时为了适应引擎设计的特定要求，在使用单顶置凸轮轴设计的同时也需要采用一些附加部件。希尔曼顽童（Hillman Imp）的4缸8气门引擎便是采用气门间隙调节垫片及活塞阀进行调节的单顶置凸轮轴引擎的典型。希尔曼顽童是一款1960年代初设计制造的小型双门轿车。其后置合金发动机是由考文垂顶点（Coventry Climax）系列赛车引擎改进而来的。在这台引擎中，进气与排气气门被安放在引擎体的同一侧，因而无需采用交叉气流汽缸盖（crossflow cylinder head）的设计，同时有利于火星塞的工作。
不过单顶置凸轮轴也有其缺点。由于进气门和排气门在进气道中位置不同，气门开闭时间的精确性会受到一定影响。
在1980年代早期，丰田（Toyota）和大众汽车（Volkswagen）也曾在单顶置凸轮轴的每缸两气门引擎中使用过直接驱动、平行气门的结构以使体积进一步紧凑。丰田采用的是液压挺杆，而大众汽车采用的是桶状挺杆，同时还配备了气门间隙调节垫片以精确控制气门开闭时间。在单顶置凸轮轴引擎的所有气门排列形式中，这种设计可能是最为紧凑和简单的。
双顶置凸轮轴（DOHC）铃木GS550（Suzuki GS550）的双凸轮轴和驱动链轮的俯视图。
双顶置凸轮轴（dual overhead camshaft, DOHC，又称double overhead cam, dual overhead cam），或简称“双凸轮轴”（twin cam）是一种在汽缸盖内配备两支凸轮轴的气门排列形式，两支凸轮轴分别控制进气门和排气门。根据引擎构造的不同（主要是汽缸排列形式的不同），一台一般的双顶置凸轮轴汽车引擎，最多可拥有两支到四支不等的凸轮轴。
双顶置凸轮轴结构的引擎并不一定有两个以上的进气门和排气门，但是如果多气门引擎的气门需要被直接驱动（虽然一般都通过挺杆驱动），那么双顶置凸轮轴是不可缺少的。然而，并非所有的双顶置凸轮轴都是多气门的设计，在多气门技术普及之前，两气门引擎上也经常配备两支凸轮轴。不过在当今，几乎所有的双顶置凸轮轴引擎中，每个汽缸都有三个到五个气门，因此双顶置凸轮轴已经与多气门技术划上了等号。
DOHC较SOHC的设计来得优秀的主要原因有二。一是凸轮轴驱动汽门的直接性，使汽门有较佳的开闭过程，而提升汽缸在进气和排气时的效率。另一则是火星塞可以装置在汽缸盖中间的区域，使混合气在汽缸内部可以获得更好更平均的燃烧。