La pile à combustible fonctionne de la façon suivante :

• Côté anode (-), une réaction d'oxydation vient prélever des électrons à un combustible.
• Côté cathode (+), une réaction de réduction permet à un oxydant de capter des électrons. 
• Les électrons suivent un trajet distinct et délivrent un courant exploitable.

Il existe plusieurs types de combustibles (éthanol, méthanol), mais c'est principalement du dihydrogène qui est utilisé. On parle alors de « pile à hydrogène ». L'oxydant est toujours le dioxygène de l'air (O₂).

La pile à hydrogène est considérée comme une source d'énergie propre. Elle consomme de l'hydrogène et de l'oxygène, deux éléments abondants sur Terre. De plus, la production d'électricité d'une telle pile ne rejette que de l'eau (H₂O). Cependant, certains points négatifs doivent être résolu avant d'envisager un passage à l'échelle :

• Du platine est utilisé comme catalyseur. C'est un métal rare et polluant.
• Autant l'élément hydrogène (H) est abondant, autant le dihydrogène (H₂) ne l'est pas. Il faut donc le produire en amont, par exemple par électrolyse. Cette production consomme de l'énergie. Le gain énergétique de la pile à hydrogène est réduit d'autant. 
• Une fois que H₂ est produit, il faut le transporter et le stocker. Le dihydrogène est extrêmement inflammable (se souvenir de l'accident du Hindenburg), et il faut beaucoup d'énergie pour le comprimer à l'état gazeux ou liquide (à -250°C).

Cela reste une source d'énergie prometteuse et de nombreux projets de recherche tentent de résoudre ou de contourner ces problèmes.