Nach langen Jahren Entwicklungsarbeit gelang ihm 1877 der Bau eines 0,9-PS-Gasmotors im 2-Takt-System. Dieses Aggregat kam zum Einsatz, da der bis dahin schon existierende Viertaktmotor durch das Patent von Nikolaus August Otto geschützt war. Nachdem der Motor nach weiteren Perfektionierungen die gewünschte Zuverlässigkeit erreicht hatte, gründete Benz 1880 eine Aktiengesellschaft, an der er mit fünf Prozent beteiligt war. Mit dem ihm zur Verfügung stehenden Kapital stand der weiteren Entwicklungsarbeit nichts mehr im Wege, die Benz nun mit der Konstruktion eines 4-PS-Gasmotors beschritt. Nachdem es mit Aktionären über die Konstruktion zu Differenzen gekommen war, verließ Benz 1883 die Gesellschaft, um mit neuen Gesellschaftern die "Benz & Cie. Rheinische Gasmotorenfabrik" in Mannheim zu gründen. Hier entwickelte er den mittlerweile patentfreien Otto-Motor weiter. Im Vordergrund der Arbeit stand die Lösung für das Problem, dass die bisherigen Motoren zu schwer für einen Wagen waren.

Im Jahr 1885 gelang Benz der Einbau eines liegenden Einzylinder-Viertakt-Benzinmotors mit elektrischer Zündung, Wasserkühlung und Oberflächenvergaser in einen dreirädrigen Holzwagen. Diese Lösung wurde verwirklicht, da sie eine bessere Lenkung ermögliche. Es war das erste Kraftfahrzeug, bei dem Motor und Fahrgestell eine Einheit bildeten. Damit schuf Benz 1885 das erste Automobil. Bereits dieses Fahrzeug von Benz besaß zur gleichmäßigen Kraftübertragung ein Differenzialgetriebe an der Antriebsachse sowie Vollgummireifen. Im selben Jahr verbaute Wilhelm Maybach in der Werkstatt von Gottlieb Daimler in Stuttgart ein 0,5-PS-Aggregat in einen sogenannten Reitwagen, der heute als das erste Motorrad der Welt angesehen werden kann. Am 29. Januar 1886 schrieb Benz Industriegeschichte, als er beim Reichspatentamt unter der Nummer 37435 das erste "Automobil" zum Patent anmeldete. In der Öffentlichkeit erntete er jedoch für seine Arbeit noch Hohn und Spott: "Ein Wagen ohne Pferde".

Im Jahr 1888 präsentierte Benz auf der Münchner "Kraft- und Arbeitsmaschinenausstellung" täglich zwei Stunden seinen Motor-Wagen, wobei die Entwicklung von der Presse bejubelt wurde. Das Messekomitee prämierte sein Patent mit der Goldmedaille für die herausragendste Innovation. An der zurückhaltenden öffentlichen Meinung änderte das nichts. Nachdem Benz auf Suche nach Annerkennung auch die Pariser Weltausstellung von 1889 besucht hatte, kehrte er zurück und arbeitete weiter an der Konstruktion eines vierrädrigen Motorenwagens. Zu Anfang des Jahres 1893 wurde die Lenkung für den Einbau perfektioniert und im selben Jahr zum Patent angemeldet. Als nun erste Aufträge folgten, arbeitete Benz, der ab 1896 erste Zwei-Zylinder Motoren verbaute, mit seinem Unternehmen gewinnbringend. Als die Produktion weiter gesteigert werden sollte, gründete er als Kapitalmaßname 1899 die Benz & Cie. Aktiengesellschaft, wobei ein Drittel der Anteile bei Benz blieben.