El motor térmico tiene 3.456 cm³ de cilindrada. Da 296 CV de potencia máxima, una cifra más bien alta para su cilindrada. El par máximo también es grande en términos relativos: 368 Nm, lo que da una presión media de 13,4 bar. La relación de compresión es 11,8 a 1.

El motor es un seis cilindros en V a 60º, hecho de aluminio con camisas de hierro. Una característica de este motor es que no tiene correas, ya que no lleva alternador, tiene accionamiento eléctrico para la bomba de agua y para el compresor del aire acondicionado. Tampoco tiene motor de arranque.

El sistema de inyección combina inyección directa e indirecta mediante dos inyectores en cada cilindro. La inyección indirecta facilita la carburación, lo que beneficia el consumo y la emisiones en carga parcial. La inyección directa hace posible que el par motor sea alto. Los dos sistemas de inyección se combinan en distintas condiciones de funcionamiento, como se puede ver en esta tabla.

El circuito de inyección indirecta funciona a 4 bar y tiene inyectores de doce orificios redondos. El de inyección directa funciona a 130 bar y tiene inyectores con dos orificios rectangulares.

Este motor (D-4S) tiene cuatro válvulas por cilindro, árboles de levas movidos por cadena y distribución de fase variable (VVT-i) en la admisión (60º) y el escape (35º).

El sistema híbrido es básicamente el mismo del Toyota Prius; en un engranaje planetario están el motor térmico unido a los satélites, el generador eléctrico unido al planeta y el motor eléctrico unido a la corona. La corona, y por tanto el motor eléctrico, es lo que está engranado finalmente con las ruedas del coche.

Una novedad del GS 450h, que también tiene el LS 600h, es que entre el engranaje planetario hay el equivalente a una caja de cambios automática de dos velocidades.

Se trata de un segundo engranaje epicicloidal con dos relaciones efectivas: una de 3,9 a 1 y la otra de 1,9 a 1. Por debajo de 90 km/h está engranada la primera. A partir de esa velocidad, y de forma imperceptible, el sistema selecciona automáticamente la segunda.

Añadir una caja de cambios automática a un sistema que hasta ahora podía prescindir de este dispositivo limita la eficiencia de la transmisión (y le quita encanto). Según Shigetoshi Miyoshi, ingeniero jefe del GS 450h, esta pérdida es despreciable (desde el punto de vista de la eficiencia).

A la pregunta de para qué una caja de cambios en un sistema que dispone de tanto par o, por lo menos, porqué una de las dos relaciones no es directa (1:1), la respuesta ha sido que de esta manera se ahorra espacio al conectar con engranajes la corona del primer planetario (el motor eléctrico) con las ruedas.

Ciertamente, el generador eléctrico, el primer engranaje planetario, el motor eléctrico y el segundo engranaje planetario (están colocados en ese orden) están dentro de la misma carcasa y no ocupan más espacio que la caja de cambios manual de seis velocidades que lleva un Lexus IS.

El generador o eventualmente el motor eléctrico alimentan a una batería de níquel e hidruro metálico con 288 V de tensión. La tensión de la batería se rectifica en lo que Toyota llama «Unidad de control de potencia», para que alcance 650 V, que es la tensión con la que trabaja el sistema de propulsión.

El motor eléctrico es de imanes permanentes, síncrono de corriente alterna y está refrigerado por agua. Da 200 CV de potencia máxima (es el motor eléctrico más potente que se ha montado hasta ahora en un coche de serie) y 275 Nm de par máximo.
El sistema de amortiguación variable (AVS) actúa independientemente sobre cada uno de los amortiguadores. Con datos como el régimen del motor, velocidad de las ruedas delanteras, la actuación en los frenos o la dirección, dirección, y tres sensores de aceleración vertical, el sistema selecciona uno de los nueve posibles ajustes de dureza para cada amortiguador.

Si se selecciona el programa Sport, el AVS puede hacer que el amortiguador exterior a la curva esté un 20 por ciento más duro que el interior.

El programa puede reconocer cuándo se van a producir ciertas frecuencias en el movimiento de las ruedas y trata de evitarlas. Además, la amortiguación variable está coordinada con el control de estabilidad (más información sobre este sistema) y con el de protección previa al choque.

El sistema de ayuda al aparcamiento tiene la novedad de que los sensores de ultrasonidos (cuatro frontales y cuatro traseros) tienen en cuenta el ángulo de la dirección, para dar avisos sólo de las zonas hacia las que se dirige el coche. Además está la cámara de televisión trasera, que muestra una imagen en color en la pantalla del salpicadero, junto con líneas de guía.