Conceptuellement, mais aussi en termes de maniabilité, les voitures à hydrogène sont des voitures électriques légèrement plus avancées. Par rapport à ces derniers deux éléments s'ajoutent : le réservoir d'hydrogène (à imaginer comme les bouteilles de GPL ou de méthane, mais plus performantes) et les piles à combustible (d'où la nomenclature de « fuel cell »). Le réservoir est en matériau composite et stocke l'hydrogène à une pression de 700 bars, puisqu'il lui faut des températures très basses (-253°) pour rester à l'état liquide avec lequel il est réapprovisionné.
A ce stade, l'hydrogène entre en contact avec la pile à combustible dans laquelle circulent de l'air et donc de l'oxygène. Le contact avec l'oxygène génère simultanément l'ionisation des électrons et des molécules d'eau, produisant du courant et de la chaleur qui peuvent être dissipés (pour maintenir les températures basses) ou utilisés pour chauffer l'habitacle. La batterie des voitures à hydrogène, en revanche, est très similaire à celle des hybrides et effectue donc la récupération d'énergie lors du freinage ainsi que la garantie d'une puissance supplémentaire lorsque nous en avons besoin (démarrage à l'arrêt, dépassement, etc.). Le moteur électrique, l'alternateur (qui augmente la tension des cellules) et une unité de contrôle qui veille au bon fonctionnement général complètent le tableau des composants.
D'une part, il y a un défaut qui rend les voitures à hydrogène avec Pile à combustible encore impropres à la diffusion sur le marché. Les principaux points en faveur, qui marquent notamment un net avantage par rapport aux voitures électriques, sont l'autonomie et les temps de recharge. La Toyota Mirai a en effet franchi la barrière des 1000 km parcourus avec le plein d'hydrogène ce qui, pour mémoire, demande la même attente que les carburants traditionnels. En plus de cela il faut noter que le réservoir n'a pas tendance à se détériorer face à un long non utilisation de la voiture.
Parmi les aspects les plus controversés (et en partie partagés avec les voitures électriques) figure celui lié à la production. Pour être considéré comme un carburant totalement vert, il doit être obtenu à partir de sources renouvelables telles que l'éolien et le photovoltaïque (ou alternativement récupéré à partir du méthane), mais son stockage n'est pas si immédiat et surtout économique. Dans l'hypothèse d'un déséquilibre entre l'offre et la demande, il s'agirait donc d'un gaspillage d'énergie avec les dommages conséquents pour l'environnement. Néanmoins, plusieurs solutions sont présentées par EODev, une entreprise spécialisée dans la transformation de l’hydrogène.
