Về phương diện hóa học tế bào nhiên liệu là phản ứng ngược lại của sự điện phân. Trong quá trình điện phân nước bị tách ra thành khí hiđrô và khí ôxy nhờ vào năng lượng điện. Tế bào năng lượng lấy chính hai chất này biến đổi chúng thành nước. Qua đó, trên lý thuyết, chính phần năng lượng điện đã đưa vào sẽ được giải phóng nhưng thật ra vì những thất thoát qua các quá trình hóa học và vật lý năng lượng thu được ít hơn. Các loại tế bào nhiên liệu đều cùng chung một nguyên tắc được mô tả dựa vào tế bào nhiên liệu PEM (Proton Exchange Membrane - tế bào nhiên liệu màng trao đổi bằng proton) như sau:

Ở bề mặt cực dương khí hiđrô bị ôxy hóa bằng hóa điện:

2 H 2 → 4 H + + 4 e − {\displaystyle 2H_{2}\to 4H^{+}+4e^{-}}

Các điện tử được giải phóng đi từ cực dương qua mạch điện bên ngoài về cực âm. Các proton H+ di chuyển trong chất điện phân xuyên qua màng có khả năng chỉ cho proton đi qua về cực âm kết hợp với khí ôxy có sẵn trong không khí (nồng độ 21%) và các điện tử tạo thành nước:

O 2 + 4 H + + 4 e − → 2 H 2 O {\displaystyle O_{2}+4H^{+}+4e^{-}\to 2H_{2}O}

Tổng cộng:

2 H 2 + O 2 → 2 H 2 O {\displaystyle 2H_{2}+O_{2}\to 2H_{2}O}