Các hệ thống tế bào nhiên liệu được phân loại theo nhiều cách khác nhau tùy theo cách nhìn:

• Phân loại theo nhiệt độ hoạt động
• Phân theo loại các chất tham gia phản ứng
• Phân loại theo điện cực
• Phân theo loại các chất điện phân là cách phân loại thông dụng ngày nay

Liệt kê dưới đây là sáu loại tế bào nhiên liệu khác nhau:

• AFC (Alkaline fuel cell - tế bào nhiên liệu kiềm)
• PEMFC (Proton Exchange Membrane Fuel Cell - trao đổi hạt nhân qua mạng lọc)
• PAFC (Phosphoric acid fuel cell - tế bào nhiên liệu axit phosphoric)
• MCFC (Molten carbonate fuel cell - tế bào nhiên liệu carbonat nóng chảy)
• SOFC (Solid oxide fuel cell - tế bào nhiên liệu oxit rắn)
• DMFC (Direct methanol fuel cell - tế bào nhiên liệu methanol trực tiếp)

Trong các loại trên thì PEMFC có nhiều triển vọng dùng trong các loại xe cộ. SOFC và APU cũng đều có khả năng trong ứng dụng trên ô tô. PEMFC, MCFD và SOFC cùng có trong tương lai trong ứng dụng trên các trạm phát điện. PAFC là công nghệ mới được nghiên cứu tuy nhiên vẫn còn nhiều vấn đề kĩ thuật. DMFC có thể tạo bước đột phá trong lĩnh vực thiết bị di động. AFC được có thể được ứng dụng trong ngành hàng không vũ trụ.

Nhiệt độ vận hành của những loại tế bào nhiên liệu khác nhau (nằm trong khoảng từ 60 tới 1000 độ C). Sự khác nhau còn nằm ở cấu trúc điện cực, sự tinh khiết của hydro ở anode (DMFC dùng methanol).