Waterstof (H2) combineert explosief met zuurstof (O2) om water (H2O) te vormen. De reactie is exotherm, met andere woorden, er komt energie vrij. Waterstof en zuurstof worden daarom al decennialang als raketbrandstof gebruikt, niet vanwege een voordeel voor het milieu, maar omdat het volle gewicht van de brandstof wordt ontstoken. Dat het proces schoon wordt verbrand, suggereerde sommigen in de jaren negentig dat het milieuvriendelijk zou zijn om het gebruik ervan ook als autobrandstof uit te breiden. Hoewel het idee op wetenschappelijke gronden snel werd afgewezen, heeft het idee de afgelopen jaren een wedergeboorte gekend.
Voorstanders van waterstof als brandstof menen dat een omschakeling van koolwaterstoffen naar waterstofbrandstof gunstig is voor het milieu. In het bijzonder prijzen ze de reinheid aan waarmee waterstof brandt en alleen energie en water produceert. Dit gaat echter voorbij aan het einde van de productie, dat zeer vervuilend is.
Ongeveer 95 procent van de waterstof die momenteel in de Verenigde Staten wordt geproduceerd, is afkomstig van de verwerking van aardgas, 'stoommethaanreforming' genoemd. Hoewel bij het proces aardgas wordt gebruikt, ontstaat er bij de productie veel CO2 - het tegenovergestelde van de indruk die voorstanders zijn van waterstofbrandstof geven.
Het scheiden van waterstof en zuurstof door hydrolyse (met behulp van elektriciteit) is veel minder populair dan het reformen van methaan met stoom omdat het zo inefficiënt is; slechts ongeveer 70 procent. Volgens de documentaire "Who Killed the Electric Car?" een brandstofcelauto aangedreven door waterstof gemaakt met elektriciteit verbruikt drie tot vier keer meer energie dan een auto die wordt aangedreven door batterijen. Dit verschil zal naar verwachting groter worden naarmate de batterijtechnologie blijft verbeteren.
Waterstoflekkage kan optreden tijdens vele stappen van de productie en het gebruik ervan. Science Magazine meldde in juni 2003 dat waterstoflekkage door wijdverbreid gebruik van waterstofbrandstof ozon sneller zou opslokken dan CFK's. Chloorfluorkoolwaterstoffen zijn wereldwijd verboden om aantasting van de beschermende ozonlaag te voorkomen.
Waterstofauto's belasten het milieu nog meer door af te leiden van de veel grotere efficiëntie van elektrische auto's. Onderzoeksingenieur Wally Rippel van AeroVironment bracht het argument naar voren dat GM en Shell waterstofbrandstofcellen naar voren schuiven als een manier om het publiek af te leiden met een technologie die te ver in de toekomst ligt om de huidige vraag te schaden - en daarom handelt om de status te behouden zo. De Amerikaanse minister van Energie en Nobelist Steven Chu heeft daarentegen opgeroepen tot de annulering van alle $ 100 miljoen in zijn DoE-budget voor onderzoek naar waterstofbrandstofcellen.
Twee mogelijkheden die onderzoekers nastreven om waterstof te redden als een milieuvriendelijke brandstof zijn de volgende. Argonne National Lab bestudeert CO2-afvang tijdens het reformingsproces van stoommethaan. En onderzoekers in Australië werken aan een door zonne-energie aangedreven waterstofpomp voor woningen, waarbij waterstofbrandstof wordt gemaakt door hydrolyse met behulp van fotovoltaïsche cellen op het eigen garagedak.