理论上，能燃烧产生能量的物质基本都能用做燃料电池的燃料；在漫长的实验和可行性研究中，大致以下物质是人们心目中理想能用做燃料电池的燃料：有氢气（H2）、甲醇（CH3OH）、汽油和其他类型的碳氢化合物。燃料电池的工作原理如图所示； 下面就常见的几种物质，进行简单的叙述：
1. 氢气（H2）
氢气（H2）是燃料电池最佳燃料，直接使用氢可以使燃料电池辅助系统大大简化，效率提高，排放为零。但目前氢的制取工艺较复杂，成本也较高，如果利用以盐为原料制取氯碱时所产生的氢气，可以降低费用。
2. 甲醇（CH3OH）
甲醇是燃料电池的 一种主要燃料，最常采用和最廉价的是用天然气作为原料来生产甲醇。天然气的储存、保管、充加、携带和运输都很不方便，将其转化为液体甲醇后，储存、保管、 充加、携带和运输就要比氢气方便多了。甲醇的能量密度（Wh/L）较大，高纯度的甲醇具有单一的成分，可以在较低的温度条件下进行重整，使重整工艺简化， 从而简化燃料处理的工艺和设备。但在轻型和微型FCEV上，由于目前重整系统设备体积和质量都很大，显著地降低了采用燃料电池地可行性。
3. 汽油
汽油作为汽车地燃料已有100多年历史，但作为内燃机汽车地燃料，汽油热量转换为汽车驱动力的效率仅为11％左右。如果将汽油重整为氢气供燃料电池作为燃料，再经过传动系统驱动FCEV，汽油热量转换为汽车驱动力的效率可以达到34％左右，几乎超过三倍。
4. 其他种类的燃料
除常用的氢和甲醇燃料外，美国宾西法尼亚大学再试验用甲醇以外的碳氢化合物（甲烷等）作为燃料电池的燃料，但它们在化学反应过程中容易在镍正极上产生积碳和一些聚合物。经过改用铜和陶瓷混合物烧结的正极后有效地解决了正极上产生积碳和一些聚合物的问题，使得甲烷、乙烷、甲苯、丁烯、丁烷等碳氢化合物为燃料电池的最佳燃料之一。
福特汽车公司也正在试验用汽油、柴油经过重整转化为氢后作为燃料电池的燃料。国际燃料电池公司与日本东芝（Toshiba）公司共同研发以汽油为燃料的燃料电池，同时还参加美国能源部50kW的IFC和PEMFC的汽油燃料电池系统的研究和开发。