Aunque al igual que en la inmensa mayoría de los automóviles toda la energía que utiliza el Prius es obtenida de la gasolina, ni siquiera su motor de combustión es convencional. Se trata de un cuatro cilindros y 1,5 litros de capacidad, fabricado enteramente en aluminio, con 4 válvulas por cilindro y equipado con el sistema de distribución variable VVT-i de Toyota.

La potencia máxima se queda en 72 CV a un bajo régimen de 4500 rpm, que coincide con la velocidad máxima de giro del motor, y que aún resulta 500 rpm mayor a la de la primera versión comercializada en Japón y EEUU. Esos 72 CV podrían perfectamente haberse obtenido de un motor de menor cilindrada que girase a mayor velocidad, pero Toyota ha preferido primar una reducción de los rozamientos internos y un mayor aprovechamiento del combustible antes que una elevada potencia.

Lo que verdaderamente hace diferente a este motor es que funciona según el llamado ciclo Atkinson, ideado por el ingeniero inglés James Atkinson, y que se diferencia ligeramente del tradicional ciclo Otto de cuatro tiempos. Bien es sabido que el rendimiento termodinámico de cualquier motor de combustión interna se ve favorecido por un alto valor de la relación de compresión, factor que choca frontalmente con la tendencia que tiene la gasolina a producir detonación para altas relaciones de compresión.

El ciclo Atkinson trata de aprovechar las ventajas que supone una alta relación de compresión reduciendo la duración efectiva de la carrera de compresión con respecto a la de expansión del tradicional ciclo Otto. La forma más viable y sencilla de conseguir esto es retrasar el cierre de la válvula de admisión, permitiendo un cierto reflujo de gases hacia el colector de admisión mientras el pistón asciende.

El cierre de la válvula determina la cantidad de gases que permanecen en el interior del cilindro y el comienzo de la compresión. La menor cantidad de mezcla retenida se traduce en unas menores prestaciones, pero autoriza a usar relaciones de compresión altas (13:1 en el Prius) sin que se produzca detonación, lo que permite un mayor aprovechamiento de la energía liberada en la combustión durante la carrera de expansión. Este ciclo ha sido en ocasiones denominado como «de cinco tiempos»: admisión, reflujo de gases, compresión, expansión y escape.