On classe généralement les piles à combustible dans les catégories suivantes : piles à hydrogène, piles à combustible organique, piles à combustible métallique et piles d'oxydoréduction.
Lorsqu'on utilise l'hydrogène comme source de combustible, l'énergie chimique est convertie en électricité pendant un processus d'hydrolyse inversée pour ne donner que de l'eau et de la chaleur comme produits résiduaires. Cela signifie que les émissions polluantes d'une pile à combustible à l'hydrogène sont très faibles, mais qu'elles peuvent être plus ou moins élevées au cours de la production de l'hydrogène, en particulier s'il est produit à partir de combustibles fossiles (ce qui est souvent le cas).
Les piles à hydrogène sont réparties elles-mêmes en deux catégories, soit les piles à basse température et à température élevée, où les piles à température élevée peuvent également utiliser directement des combustibles organiques. Ces derniers se composent d'hydrocarbures tels que le mazout ou l'essence, l'alcool ou la biomasse.
Les autres sources de combustible des piles comprennent, sans y être limitées, les alcools, le zinc, l'aluminium, le magnésium, des solutions ioniques et de nombreux hydrocarbures. Les autres oxydants comprennent, sans y être limités, l'air, le chlore et le dioxyde de chlore.