Un véhicule à pile à combustible fonctionne à l'électricité, mais ne se branche pas sur secteur. Il contient de l'hydrogène dans un réservoir et le combine à l'oxygène de l'air dans une pile à combustible. La réaction chimique produit de l'électricité pour alimenter le moteur, et la seule émission est de la vapeur d'eau. C'est une voiture électrique utilisant une source d'énergie différente.

La pile à combustible est le cœur du véhicule. Elle contient des centaines de cellules individuelles, chacune dotée d'une anode et d'une cathode séparées par une membrane. L'hydrogène pénètre dans l'anode, où un catalyseur le dissocie en protons et en électrons. Les protons traversent la membrane, tandis que les électrons circulent dans un circuit externe, créant ainsi un courant électrique. À la cathode, l'oxygène, les protons et les électrons se combinent pour former de l'eau.

Les véhicules à pile à combustible se ravitaillent en trois à cinq minutes, comme les véhicules à essence. Leur autonomie est comparable à celle des voitures classiques, environ 480 à 640 kilomètres. La Toyota Mirai et la Honda Clarity sont les modèles les plus répandus. Cependant, les stations d'hydrogène sont rares. La Californie en compte une cinquantaine, et la plupart des autres États n'en ont aucune. Produire de l'hydrogène propre représente également un défi. Actuellement, la majeure partie de l'hydrogène est produite à partir de gaz naturel, ce qui libère du dioxyde de carbone.

Les piles à combustible sont idéales pour les poids lourds, les autobus et les navires, où les batteries seraient trop lourdes et leur recharge trop lente. Pour les voitures particulières, les véhicules électriques à batterie sont privilégiés, mais les piles à combustible restent une option.