En un motor de cabeza plana o de válvulas laterales, las partes mecánicas del tren de válvulas están todas contenidas dentro del bloque, y se puede utilizar una «cabeza de cataplasma» que es esencialmente una simple placa de metal atornillada a la parte superior del bloque.
Mantener todas las piezas móviles dentro del bloque tiene una ventaja para los motores físicamente grandes, ya que el engranaje de accionamiento del árbol de levas es pequeño y por lo tanto sufre menos los efectos de la expansión térmica en el bloque de cilindros. Con una transmisión por cadena a un árbol de levas en cabeza, la longitud adicional de la cadena necesaria para un diseño de levas en cabeza podría dar problemas por el desgaste y la inclinación de la cadena sin un mantenimiento frecuente.
Los primeros motores de válvulas laterales se utilizaban en una época en la que la química del combustible era sencilla y los índices de octano bajos, por lo que requerían relaciones de compresión bajas. Esto hacía que el diseño de su cámara de combustión fuera menos crítico y que hubiera menos necesidad de diseñar cuidadosamente sus puertos y el flujo de aire.
Una dificultad experimentada en esta época era que la baja relación de compresión también implicaba una baja relación de expansión durante la carrera de potencia. Por lo tanto, los gases de escape seguían estando calientes, más calientes que en un motor contemporáneo, lo que provocaba frecuentes problemas de válvulas de escape quemadas.
Una importante mejora del motor de válvulas laterales fue la llegada del diseño de culata turbulenta de Ricardo. Esto redujo el espacio dentro de la cámara de combustión y las lumbreras, pero al pensar cuidadosamente en las trayectorias del flujo de aire dentro de ellas permitió un flujo más eficiente dentro y fuera de la cámara. Y lo que es más importante, utilizó la turbulencia dentro de la cámara para mezclar a fondo la mezcla de combustible y aire. Esto, por sí mismo, permitió el uso de relaciones de compresión más altas y un funcionamiento más eficiente del motor.
El límite del rendimiento de las válvulas laterales no es el flujo de gas a través de las válvulas, sino la forma de la cámara de combustión. Con motores de alta velocidad y alta compresión, la dificultad limitante pasa a ser la de lograr una combustión completa y eficiente, evitando al mismo tiempo los problemas de predetonación no deseada. La forma de la cámara de combustión de una válvula lateral, al ser inevitablemente más ancha que el cilindro para llegar a los orificios de las válvulas, entra en conflicto con la consecución tanto de una forma ideal para la combustión como del pequeño volumen (y la baja altura) necesarios para la alta compresión. Por lo tanto, los motores modernos y eficientes tienden a los diseños de techo de pent o hemi, donde las válvulas se acercan al centro del espacio.
Cuando la calidad del combustible es baja y el octanaje es pobre, las relaciones de compresión se verán restringidas. En estos casos, el motor de válvulas laterales todavía tiene mucho que ofrecer. Especialmente en el caso del motor IOE desarrollado para un mercado con combustibles pobres, motores como los de la serie B de Rolls-Royce o el Land-Rover utilizan una complicada disposición de válvulas inclinadas, una línea de culata en ángulo con el diámetro interior y los correspondientes pistones en ángulo para proporcionar una cámara de combustión compacta que se acerca al ideal casi hemisférico. Estos motores se mantuvieron en producción hasta la década de 1990, y sólo se sustituyeron finalmente cuando los combustibles disponibles «sobre el terreno» pasaron a ser más bien diésel que gasolina.