Xe chạy bằng pin nhiên liệu hoạt động bằng điện, nhưng không cần cắm sạc. Nó chứa hydro trong bình và kết hợp với oxy từ không khí trong cụm pin nhiên liệu. Phản ứng hóa học tạo ra điện năng để vận hành động cơ, và chất thải duy nhất là hơi nước. Đó là một chiếc xe điện với nguồn năng lượng khác biệt.

Cụm pin nhiên liệu là trái tim của chiếc xe. Nó chứa hàng trăm tế bào riêng lẻ, mỗi tế bào có một cực dương và một cực âm được ngăn cách bởi một màng. Hydro đi vào cực dương, nơi chất xúc tác tách nó thành proton và electron. Các proton đi qua màng, và các electron di chuyển qua mạch ngoài, tạo ra dòng điện. Tại cực âm, oxy, proton và electron kết hợp để tạo thành nước.

Xe chạy bằng pin nhiên liệu có thể nạp nhiên liệu trong vòng ba đến năm phút, tương tự như xe chạy bằng xăng. Phạm vi hoạt động tương đương với ô tô thông thường, khoảng 300 đến 400 dặm. Toyota Mirai và Honda Clarity là những mẫu xe phổ biến nhất. Tuy nhiên, các trạm tiếp nhiên liệu hydro lại khá hiếm. California có khoảng 50 trạm, và hầu hết các tiểu bang khác không có trạm nào. Việc sản xuất hydro sạch cũng là một thách thức. Hầu hết hydro hiện nay được sản xuất từ ​​khí tự nhiên, loại khí thải ra carbon dioxide.

Pin nhiên liệu rất phù hợp cho xe tải hạng nặng, xe buýt và tàu thủy, nơi mà pin thông thường quá nặng và thời gian sạc quá chậm. Đối với xe hơi chở khách, xe điện chạy bằng pin có ưu thế hơn, nhưng pin nhiên liệu vẫn là một lựa chọn.