Le concept allie un moteur à essence qui serait sous-dimensionné (57 kW - 77 ch) s'il était utilisé seul, optimisé pour une faible consommation et une pollution limitée (moteur à cycle Miller / Atkinson où le taux de détente est supérieur au taux de compression), et deux moteurs-générateurs électriques (dénommés MG1 et MG2, de tailles et puissances différentes), tous trois reliés à un train épicycloïdal. L'ensemble constitue une transmission électro-mécanique (une partie de la puissance passe par voie mécanique, l'autre par voie électrique) reproduisant les sensations de conduite d'une transmission à variation continue classique, bien que basée sur un principe totalement différent. Une telle transmission ne comporte en particulier aucun embrayage ou dispositif de découplage mécanique entre moteurs et roues, devenus inutiles.
Bien que fonctionnant uniquement avec l'essence comme source primaire d'énergie, la motorisation hybride de la Prius parvient à abaisser très significativement la consommation par rapport à celle d'une automobile non-hybride équivalente. Ce résultat est obtenu en faisant fonctionner le moteur thermique le plus près possible de son rendement maximum, ce qui est impossible sur une voiture traditionnelle à cause des fluctuations de puissance très importantes liées à la conduite.
Sur une hybride en revanche, il est possible d'utiliser la propulsion électrique seule à très faible puissance (où le moteur thermique aurait un rendement très faible), tant que la batterie n'est pas déchargée, ou au contraire d'aider le moteur thermique par l'appoint d'un moteur électrique lors des besoins importants de puissance (accélérations, fortes côtes...). En régime de croisière, le moteur thermique fonctionne le plus souvent à une charge légèrement plus élevée que nécessaire et utilise ce surplus d'énergie mécanique pour charger la batterie. Le rendement du moteur augmentant vite à faible charge, ce surplus d'énergie est presque gratuit.
Au final, le fonctionnement beaucoup plus régulier du moteur thermique aboutit également à une moindre pollution et à une moindre usure mécanique. De plus, le caractère réversible des moteurs-générateurs électriques permet de récupérer au freinage une partie de l'énergie cinétique de la voiture, par l'intermédiaire de MG2 qui est lié directement aux roues. Cette particularité est particulièrement mise à profit en circulation urbaine, où la Prius excelle sur le plan du rendement par rapport aux automobiles à propulsion purement thermique.
Le système de contrôle — nommé HSD (Hybrid Synergy Drive) dans la version 2004, THS précédemment — organise la répartition des efforts entre le moteur thermique et les 2 moteurs-générateurs électriques pour optimiser le rendement global. Contrairement à une opinion répandue, la partie électrique est toujours sollicitée quel que soit le type de conduite, mais pas nécessairement la batterie, l'électricité pouvant passer directement de MG1 à MG2 ou inversement ; c'est le principe même d'une transmission électro-mécanique qui permet de multiplier ou diviser le couple aux roues comme le ferait une boîte de vitesses mécanique, mais par voie électrique.
Afin de pouvoir récupérer de l'énergie aux ralentissements, le freinage est lui aussi hybride et contrôlé par ordinateur : dès que l'accélérateur est relâché, le moteur thermique n'est plus alimenté en carburant (il s'arrête physiquement au-dessous de 70 km/h environ) et le frein moteur est assuré par MG2 qui en profite pour recharger la batterie (freinage régénératif). De même, lorsqu'on actionne la pédale de frein, c'est d'abord MG2 qui fournit l'effort de freinage avant de laisser opérer de traditionnels disques quand la pression augmente. Bien que la puissance de MG2 soit de 50 kW, la puissance de freinage électrique est limitée par la puissance de charge que peut supporter la batterie (21 kW d'après le constructeur), ce qui incite le conducteur à réaliser des freinages doux pour récupérer le maximum d'énergie et abaisser ainsi sa consommation.
