传统汽车以汽油和柴油等轻质油品为燃料，通过油品在发动机汽缸内燃烧放热做功，带动汽车工作。燃烧后的尾气直接排放到环境中，尾气中包括了大量的碳氢化合物、硫氧化合物、氮氧化合物、一氧化碳、二氧化碳、及固体颗粒物等污染物，可引起光化学烟雾，对人体健康带来严重危害等，是目前环境污染的主要来源之一。进入21世纪，汽车尾气污染已日益成为全球性问题，而新能源汽车是解决汽车污染的途径之一。
新能源汽车是指采用非常规的车用燃料作为动力来源，或使用常规的车用燃料但采用新型车载动力装置，综合车辆的动力控制和驱动方面的先进技术，形成的技术原理先进，具有新技术、新结构的汽车。新能源汽车主要包括混合动力汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV）、燃料电池汽车（FCEV）、氢电池汽车以及燃气汽车、醇醚汽车等。目前，市场上销售的主要是混合动力汽车和纯电动汽车（就是大家在马路上见到的绿牌车）。
混合动力汽车从广义上说，是指车辆驱动系统由两个或多个能同时运转的单个驱动系统联合组成的车辆，车辆的行驶功率依据实际的车辆行驶状态，由单个驱动系统单独或共同提供。目前所说的混合动力汽车，一般是指油电混合动力汽车，即采用传统的内燃机（柴油机或汽油机）和电动机作为动力源，也有的是发动机经过改造后使用其他替代燃料，如压缩天然气、丙烷和乙醇等燃料。
以串联混合动力电动汽车为例，其工作原理如下：在车辆行驶之初，蓄电池处于电量饱满状态，能量输出可以满足车辆要求，辅助动力系统不需要工作；当电池电量低于60％时，辅助动力系统启动。当车辆能量需求较大时，辅助动力系统与蓄电池组同时为驱动系统提供能量，当车辆能量需求较小时，辅助动力系统为驱动系统提供能量的同时，还可以给蓄电池组充电。由于蓄电池组的存在，发动机工作在一个相对稳定的工况，使其排放得到改善。节能、低排放等特点，使混合动力车辆成为汽车研究与开发的一个方向。
纯电动汽车是以车载电源为动力，用电动机驱动车轮行驶，符合道路交通、安全法规各项要求的一种乘用车，是一种无污染、低消耗的环保型车辆。电力驱动及控制系统是电动汽车的核心，主要由驱动电动机、电源和电动机的调速控制装置等组成，是区别于内燃机汽车的最大不同点。由于电动车在行驶过程中基本没有排放，对环境影响相对于传统汽车较小，电动汽车确实可以引领人类交通出行的变革，前景被广泛看好，但目前技术尚不成熟，电动车成本几乎是内燃机汽车的两倍。
从目前全球新能源汽车的发展来看，动力以电力为主，动力电源包括锂离子电池、镍氢电池、燃料电池、铅酸电池、超级电容器等，其中超级电容器大多以辅助动力电源的形式出现。
虽然相较于传统汽车，电动车的技术相对简单，但无论是哪一种电池技术，都还不完全成熟或存在明显缺点，如蓄电池单位质量储存的能量太少，电池价格较贵，电池的耐用性比较差，充电速度慢等。不管是从成本上、动力上，还是续航里程上来说，电动汽车与传统燃油汽车都存在不少差距，尤其是电池的安全性和整车质量性能较差，是制约新能源电动汽车发展的主要因素。
相比于电动汽车，氢燃料电池汽车的能量密度高、续航里程长、整备质量轻，更适合于大功率和长距离运输，但氧燃料电池尚处于发展初期，未大批量生产，而且成本较高，加氢站发展布局落后。氢燃料电池的其他不足在“石油的不可替代性”一节中已有介绍，氢燃料电池汽车的发展前景还有待观察。
天然气汽车比传统的燃油汽车具有更高的环境效益和经济效益，但非气源地区缺少加气站成为其发展的主要阻碍，尤其是近几年中国天然气对外依存度逐年升高和冬季供暖大量需求天然气，使得天然气的市场价格较高且波动较大，都会影响天然气汽车的进一步发展。
其他的如以乙醇、甲醇和生物柴油等为燃料的汽车，虽然比传统石油燃料清洁，但由于中国人均耕地面积较少、相关技术体系还不够成熟等原因，燃料乙醇、生物柴油的产量有限，而煤制甲醇存在环境污染和毒性等问题。因此，以这些燃料为动力的新能源汽车的发展还有很长的路要走。
太阳能汽车作为概念车进行技术储备已有多年的研究发展历史，但远远未达到实用化的技术水平。