燃料电池汽车是一种由车载燃料电池装置产生电力作为其运作动力的汽车。而这个车载燃料电池装置所消耗的燃料是高纯度氢气或是由含氢燃料经过重整而得到的高含氢蒸气。和一般的电动汽车相比较，汽车动力方面的区别在于燃料电池汽车所需电力来自其车载燃料电池装置，而电动汽车所用电力来自由电网充电的蓄电池。
而燃料电池是一种不燃烧燃料，直接用电化学反应方式将燃料的化学能转变为电能的高效发电装置。其发电的基本原理是，将电池的阳极输入氢气，氢分子在阳极催化剂的作用下离解为氢离子和电子，氢离子穿过燃料电池的电解质层，向阴极方向运动。电子通不过电解质层，通过一个外部电路流向阴极。在电池阴极输入氧气，氧气在阴极催化剂的作用下离解为氧原子。氧原子和外部电路流向阴极的电子，以及燃料穿过电解质的氢离子结合，生成稳定结构的水，在完成电化学反应之后放出热量。
这种电化学反应和氢气在氧气中发生剧烈燃烧反应截然不同，只要阳极不断输入氢气，阴极不断输入样子，电化学反应就会继续。电子也会不断地通过外部电路流动形成电流，继而给汽车提供电力。这和普通的导电体切割磁力线的回转机械发电原理不一样，这种电化学反应属于一种没有物体运动就得到电力的静态发电方式。所以，燃料电池有不少优点，类似效率高、噪音小、没有污染物排出等，所以燃料电池汽车是真正的环保、高效汽车。
为了满足汽车的运作需求，车用燃料电池还有高比能量以及启动快、低工作温度，还有无泄露等特点，在诸多燃料电池里，质子交换膜燃料电池（PENFC）完全具备这些特点，所以燃料电池汽车用的燃料电池都是质子交换膜燃料电池。
燃料电池汽车的工作原理是，氢作为燃料在燃料电池中，和大气中的氧气发生氧原化学反应，产生电能来带动汽车电动机运作，由电动机带动汽车里的机械传动结构，继而带动汽车的前桥或是后桥等行走机械结构运作，继而驱动电动汽车行驶。