Les moteurs à combustion interne tournent à des vitesses élevées, une réduction de vitesse est donc nécessaire pour transmettre la puissance aux roues motrices, qui tournent beaucoup plus lentement.
La boîte de vitesses offre une sélection de rapports pour différentes conditions de conduite :départ arrêté, montée d'une côte ou croisière sur des surfaces planes. Plus le rapport est bas, plus les roues tournent lentement par rapport au régime moteur.
La boîte de vitesses est le deuxième étage du système de transmission, après l'embrayage. Il est généralement boulonné à l'arrière du moteur, avec l'embrayage entre eux.
Les voitures modernes à transmission manuelle ont quatre ou cinq vitesses avant et une marche arrière, ainsi qu'une position neutre.
Syncromesh désactivé
Synchro enclenché 
Le levier de vitesses, actionné par le conducteur, est relié à une série de tiges de sélection situées en haut ou sur le côté de la boîte de vitesses. Les tiges de sélection sont parallèles aux arbres portant les engrenages.
La conception la plus populaire est la boîte de vitesses à prise constante. Il comporte trois arbres :l'arbre d'entrée, l'arbre intermédiaire et l'arbre principal, qui tournent dans des roulements dans le carter de la boîte de vitesses.
Il y a aussi un arbre sur lequel tourne le pignon fou de marche arrière.
Le moteur entraîne l'arbre d'entrée, qui entraîne l'arbre intermédiaire. L'arbre intermédiaire fait tourner les engrenages sur l'arbre principal, mais ceux-ci tournent librement jusqu'à ce qu'ils soient verrouillés au moyen du dispositif de synchronisation, qui est cannelé sur l'arbre.
C'est le dispositif de synchronisation qui est en fait actionné par le conducteur, par l'intermédiaire d'une tige de sélection munie d'une fourchette qui déplace la synchronisation pour engager le rapport.
L'anneau baulk, un dispositif de retardement dans la synchronisation, est le dernier raffinement de la boîte de vitesses moderne. Il empêche l'engagement d'un rapport tant que les vitesses de l'arbre ne sont pas synchronisées.
Sur certaines voitures, un rapport supplémentaire, appelé overdrive, est installé. Il est supérieur au rapport supérieur et permet ainsi une conduite économique à des vitesses de croisière.
Boîte de vitesses à quatre rapports à prise constante
Première vitesse 
Deuxième vitesse 
Quatrième vitesse 
Inverser 
Le dispositif de synchronisation est un anneau avec des dents à l'intérieur qui est monté sur un moyeu denté qui est cannelé sur l'arbre.
Lorsque le conducteur sélectionne une vitesse, des surfaces de friction en forme de cône correspondant sur le moyeu et l'engrenage transmettent l'entraînement, du vireur à travers le moyeu jusqu'à l'arbre, synchronisant les vitesses des deux arbres.
Avec un mouvement supplémentaire du levier de vitesses, l'anneau se déplace le long du moyeu sur une courte distance, jusqu'à ce que ses dents s'engrènent avec des dents de chien biseautées sur le côté de l'engrenage, de sorte que le moyeu cannelé et l'engrenage sont verrouillés ensemble.
Les conceptions modernes comprennent également un anneau de retenue, interposé entre les surfaces de friction. L'anneau baulk a également des dents de chien; il est fait d'un métal plus doux et est plus lâche sur l'arbre que sur le moyeu.
L'anneau de baulk doit être positionné précisément sur le côté du moyeu, au moyen d'ergots ou de "doigts", avant que ses dents ne s'alignent avec celles de l'anneau.
Dans le temps de se repérer, les vitesses des arbres ont été synchronisées, de sorte que le conducteur ne peut pas faire claquer de dents, et la synchronisation est dite "imbattable".
