燃料電池車輛的動力系統與傳統內燃機車輛有根本分別。它們並沒有配備傳統內燃機，而是透過電化學反應，直接將氫氣和氧氣的化學能轉化為電能，用以驅動電動馬達。燃料電池堆是核心部件，由陽極、陰極及質子交換膜組成。運作時，氫氣在陽極催化劑作用下分解成質子和電子；質子穿過電解質膜，在陰極一側與氧氣結合生成水，而電子則經外部電路形成電流。這種設計具備能源轉換效率高（理論上超過60%）、零排放（只排出水）及運作寧靜等優點。目前主要應用於乘用車及商用車，Toyota Mirai、Hyundai NEXO等車型已實現商業化。需要留意的是，燃料電池系統仍需要高壓儲氫缸、空氣壓縮機等輔助部件，其整體結構相比傳統燃油車輛，更接近電動車。
