4행정 내연기관에서 쓰이는 흡/배기 밸브를 조절하는 샤프트이다.
크랭크와 1/2의 감속비로 연결되어 있으며[1], 캠샤프트의 위치 혹은 밸브의 위치와 개폐를 하는 방식에 따라 Side Valve, OHV, OHC 방식으로 나뉜다.

2행정 엔진중에 가솔린 엔진에는 없으며 2행정 디젤엔진에서는 배기밸브를 개폐하는 장치로 쓰인다.

캠의 뾰족한 부분인 로브(Lobe)가 밸브를 직접 누르거나(직동식) 라커암(Rocker Arm)을 거쳐 누르는 식으로 밸브를 열고 닫는다. SOHC 방식의 경우 한개의 캠샤프트로 각각 다른 각도로 설치된 흡/배기 밸브를 작동시키려면 라커암을 사용할 수 밖에 없으며 DOHC의 경우는 직동식이 주를 이루나 소음저감과 가변밸브기구 추가 등에 따라 라커암을 거치는 경우도 많다. OHV 엔진의 경우에는 캠과 라커암 사이에 푸시로드가 추가된다.

캠샤프트는 달려있는 캠의 형상(캠 프로파일)에 따라 밸브의 거동이 결정되고 엔진의 성능이 달라진다. 로브가 높을수록 밸브의 열림양(Lift)이 커지고, 로브와 베이스원이 이루는 접선의 각도(예각말고 바깥쪽 둔각)가 작아질수록 열려있는 시간(Duration, 양정)이 길어진다. 이러한 수치가 달라지면 엔진이 흡입하거나 배출하는 공기의 양도 달라지므로 제조사에서는 세심하게 수학적 계산을 하여 형상을 결정한다. 로브가 높고 밸브가 오래 열리는 캠을 하이캠이라고 부르며 자연흡기 엔진의 튜닝의 가장 큰 비중을 차지한다. 튜닝파츠 메이커에서 만든 하이캠을 장착하는 방법도 있고, 기존 순정 캠을 베이스원을 갈아내는 리그라인딩을 통해 하이캠으로 만들수도 있다. 그러나 무조건 하이캠을 장착한다고 성능이 올라가는게 아니며 잘못된 캠의 선택은 밸브의 점핑이나 밸브스프링 서징 현상을 일으켜 엔진이 파손될 수 있다.

이미 가공 및 제작이 끝난 캠샤프트의 프로파일이 운전중에 바뀔 수는 없기 때문에 가변 밸브 타이밍이나 가변 밸브 리프트같은 보조수단으로 엔진의 성능을 더욱 끌어올리기도 한다.

보통 주조방식으로 제작되며 예전에는 중실축 형태로 제작되었으나 최근에는 회전관성을 줄이기 위해 속이 빈 중공 캠샤프트가 많이 채용되고 있다.

캠샤프트가 깎아먹는 기계적 효율을 개선하거나 밸브의 효율적인 구동을 구현하려고 캠리스엔진을 개발중이기도 하나 아직까지 실용화는 요원하다.

4행정 엔진은 크랭크샤프트 2회전당 캠샤프트 1회전의 속도로 돌아가며, 2행정 디젤엔진을 제외하고는 예외는 거의 없다. 따라서 1/2의 속도로 감속이 되도록 구성된다.
크랭크와 연결되는 방식으로는 기어방식, 체인식, 벨트식이 있으며 각각 타이밍 기어, 타이밍 체인, 타이밍 벨트으로 부르고 있다. 타이밍 벨트의 경우 그 개념을 팬벨트[2]와 혼동하는 경우가 있으니 주의할것.

연결방식을 막론하고 이 부분에 심각한 문제가 생기는 순간 엔진을 99%의 확률로 말아먹게된다. 이게 무슨말이냐면 체인이 빠진다거나 기어가 박살난다거나 벨트가 끊어지게 되면 캠샤프트에 회전력이 전달되지 않아 서서히 멈추게 되는데 이때 흡/배기 밸브가 타이밍에 맞지않게 개폐되고 이때 피스톤이 밸브를 때려버리면 캠샤프트->헤드->실린더->피스톤 다 말아먹어 버린다.

그러니 관리를 주기적으로 해야 한다. 그러나 일부 엔진의 경우 관리나 점검, 수명 예측이 불가한 경우도 있다.