Le gaz naturel est à ce jour le carburant alternatif non-dérivé du diesel qui est le plus répandu pour la propulsion des autobus. Il est utilisé sous sa forme compressée (GNC).
C'est à partir de 1998 que les ventes d'autobus GNV ont réellement démarré dans l'hexagone avec notamment les modèles Renault Agora Gaz et Heuliez GX 317 GNV.
Des bus au GNV circulent aussi dans d'autres pays : Danemark, Suède, Grèce, Azerbaïdjan…

La combustion du gaz naturel ne produit ni oxyde de soufre, ni plomb, ni poussières et peu d'oxydes d'azote. De tous les hydrocarbures, le gaz naturel est celui qui dégage à la combustion le moins de monoxyde de carbone. Il n'émet ni fumées noires, ni odeurs.

La combustion du carburant gaz naturel est plus lente que celle des autres hydrocarbures. Elle permet une réduction significative des vibrations et par conséquent du volume sonore des moteurs. Le niveau de bruit est abaissé d'environ 4 décibels, c'est-à-dire divisé par deux par rapport à un moteur diesel.
Les réservoirs de gaz sont implantés en toiture dans un compartiment séparé de l'habitacle des voyageurs.

Les réservoirs sont équipés d'un thermofusible. Ils stockent le gaz à une pression de 200 bars. Cette pression est réduite à 10 bars avant l'injection. Leur durée de vie est de 20 ans. Tous les 4 ans, un contrôle par inspection détaillée (CID) est obligatoire. Cette opération nécessite une immobilisation d'environ une demi-journée par véhicule.
Plusieurs sociétés produisent des réservoirs de gaz, comme l'entreprise française Ullit (depuis 1996). Elle a été reprise en 2020 par le groupe Faurecia.

Le GNV est un gaz d'origine fossile. L'alternative verte est le bioGNV. Energie renouvelable, le biogaz émet bien moins de CO2 que le gaz naturel d'origine fossile.

Certains bus roulent au biogaz issu de la méthanisation. Les déchets issus des particuliers, des collectivités, mais aussi de l'élevage et de des industries agroalimentaires contribuent à la production de biogaz.
Pour que le carburant gaz naturel soit considéré comme du biogaz, la fraction de gaz renouvelable est d'au minimum de 20 % à partir du 1er janvier 2020 et de 30 % à partir du 1er janvier 2025. Certaines autorités organisatrices, comme la région Sud, imposent une fraction de gaz renouvelable de 100%.

Le biogaz n'est que rarement utilisé directement par les bus. En général, les réseaux qui veulent acheter du biogaz s'appuient sur des garanties d'origine pour que le gaz consommé corresponde à du biométhane effectivement produit et injecté dans le réseau de gaz. Un registre national des garanties d'origine (RGO) a été créé en 2012, il est géré par GRDF.

Plusieurs constructeurs proposent des autobus équipés d'une motorisation fonctionnant au gaz naturel.
A l'achat, un bus GNV coûte en moyenne 38 000 € de plus que son équivalent diesel (soit 15 % de plus qu'un bus diesel).
Avant de s'engager, collectivités et transporteurs peuvent essayer cette technologie en installant une station GNV provisoire ou en utilisant une station publique.
Il faut y ajouter les coûts d'infrastructure (station de remplissage et aménagement du dépôt : remisage et atelier) et de formation du personnel.

L'arrivée de bus GNV dans un réseau nécessite des aménagements liés à la réglementation ATEX pour l'alimentation et la maintenance de ces bus.
Les zones couvertes où les bus GNV sont amenés à se rendre doivent être munies d'une ventilation performante et de détecteurs de gaz situés en partie haute.
Pour assurer le remplissage en carburant des bus GNV, la construction d'une station de compression s'impose. La station assure le remplissage lent ou rapide des bus. Pour pouvoir effectuer un remplissage rapide, la station doit être équipée d'un stockage de gaz (plusieurs bouteilles).

Dans le cas du remplissage lent (de nuit), chaque emplacement de stationnement possède une arrivée de gaz avec un pistolet.
À Provins, le centre bus est équipé de 3 compresseurs de 999 Nm3/h (2 en fonctionnement et 1 en redondance) et 2 tonnes de stockage de gaz.
Pendant la durée du plein, par mesure de sécurité, il est nécessaire d'appuyer en continu sur un bouton.
Les pistolets NGV2 offrent un débit plus important que les NGV1.

Certains réseaux de transport public ont stoppé le renouvellement de la flotte de bus en raison de limites techniques liées à la capacité de remplissage de la station GNV. D'autres réseaux, comme celui de Lille, poursuivent l'acquisition de bus au GNV afin d'utiliser du biogaz.
Les bouteilles de GNV sont homologuées pour 20 ans. Au-delà, elles doivent être remplacées. De fait, la plupart des bus au gaz sont réformés avant cette limite.

Dans le cadre du projet Althytude (ALTernative HYdrogène dans les Transports Urbains à DunkerquE), une expérimentation a eu lieu en 2005 à Dunkerque sur deux bus Agora GNV avec l'utilisation du carburant Hythane (mélange GNV et d'hydrogène).
L'objectif est de proposer une transition souple à l'hydrogène utilisant des technologies et infrastructures disponibles. Ce mélange permet d'obtenir de meilleures performances techniques (rendement moteur) et environnementales (moins de CO2 et de polluants locaux).