Les premiers bus hybrides diesel-électrique de nouvelle génération ont commencé à faire leur apparition en France en 2009, pour des essais. Ces bus disposent de deux sources d'énergie : carburant diesel et électricité. Le principal avantage de cette technologie est la réduction de la consommation de carburant.

Certains bus hybrides équipés de batteries peuvent être rechargés en électricité au dépôt. Le moteur thermique intervient donc pour fournir un complément d'autonomie. La durée de vie des batteries est plus faible que celle des bus. Les batteries doivent être remplacées à mi-vie.

Le moteur thermique est couplé à un générateur qui alimente un moteur électrique. Il y a récupération de l'énergie au freinage et stockage de celle-ci dans des supercondensateurs qui peuvent absorber beaucoup d'énergie très rapidement et la restituer très vite, lors de l'accélération. Le moteur thermique se coupe à l'arrêt (start & stop). Les supercondensateurs sont sollicités lors du redémarrage, le moteur thermique se met en marche pour fournir l'énergie nécessaire au générateur lorsqu'il n'y a plus d'énergie électrique. La motorisation thermique de ces véhicules est moins puissante que celles de leurs équivalents classiques. Par exemple, Irisbus équipe ses bus hybrides d'un moteur Tector (et non pas d'un moteur Cursor).

Les moteurs thermique et électrique sont sur le même axe. L'électrique assiste le thermique lors des accélérations, récupère l'énergie en décélération / freinage. Le moteur thermique se met en route à partir de 20 km/h.
Le système hybride parallèle de Eaton équipe le Solaris Urbino 12.

Les constructeurs Mercedes-Benz et MAN proposent un système léger d'hybridation. Le pack de batteries est plus petit que sur les autres bus hybrides. Le coût de ses bus est donc réduit. Mais on conserve les avantages des véhicules hybrides : récupération d'énergie lors du freinage. Le poids global du véhicule n'est également que peu augmenté. Ce système est adapté aux bus à moteur thermique fonctionnant au diesel ou au gaz naturel.

Le midibus urbain Cito de Mercedes-Benz était également animé par une propulsion diesel-électrique. Présenté en 1998, il a été produit en série de 1999 à 2003. Son moteur diesel entraîne l'alternateur qui alimente à son tour un moteur électrique pour l'entraînement. Ce bloc, dit Power-Pack, est monté à l'arrière de ce véhicule, reconnaissable à son absence de porte-à-faux. Il ne possédait pas de batterie de récupération de l'énergie.
Le réseau d'Avignon a utilisé des midibus hybride série Neoplan N6108. Ces véhicules peuvent stocker l'électricité dans des batteries NiMH.

Les constructeurs proposent désormais des véhicules hybrides dans leurs catalogues. Le prix de ces véhicules commence à diminuer. Des véhicules de différents gabarits (standard et articulé) sont proposés.
Les systèmes d'hybridation sont fournis par des équipementiers. Irisbus travaille avec BAE Systems, qui commercialise Hybridrive. Solaris équipe ses bus avec des systèmes Eaton, Allison Transmission, Vossloh Kiepe et Voith Turbo (DIWAhybrid).
Pour conserver le plancher bas, les équipements sont généralement installés en toiture.

Les constructeurs font régulièrement des essais et des démonstrations de leurs véhicules hybrides sur des réseaux urbains. Lyon a testé un Citelis 12 hybride et un Volvo 7700 hybride, Bayonne et Versailles ont eu un GX 327 hybride en démonstration…

- Comparatif
Un essai comparatif de plusieurs modèles sur une longue période a eu lieu à Lyon. Le SYTAL a procédé à l'achat de 6 bus hybrides pour son réseau TCL : 2 Citelis 12 hybride, 2 Lion's City Hybrid et 2 Volvo 7900 hybride. A l'issue de l'expérimentation, le SYTRAL a décidé de ne pas acheter de bus hybrides.

Ces véhicules possèdent souvent un carénage en toiture qui dissimule le stockage d'énergie.

►   Bus articulé hybride
►   Bus standard hybride

Les équipements électriques sont installés sur le toit des bus. L'utilisation de bus hybrides nécessite donc l'aménagement des ateliers de maintenance pour le travail en hauteur.

✓   La mise en service des 102 bus hybrides de Dijon et des 30 de Bordeaux a marqué le vrai lancement en exploitation de cette technologie sur les réseaux urbains français. A ce jour, le constructeur Heuliez Bus a la plus grosse part de marché.
✓   Pour 2014, seulement une trentaine d'hybrides ont été mis en circulation, dont 15 bus Irisbus Citelis 12 Hybrid pour la RATP. Pour les constructeurs, il s'agit de l'année de transition vers Euro 6.
✓   En 2015, les livraisons de bus hybrides repartent à la hausse, notamment suite à la décision du STIF en Ile-de-France.

✓   Les derniers bus full hybrid ont été livrés fin 2021. Désormais, les constructeurs proposent uniquement des mild-hybrid.
✓   Le remplacement des batteries des bus full hybrid est prévu à mi-vie, après environ 8 ans de service. Une opération coûteuse et qui pose le problème du recyclage des anciennes batteries.
✓   Certaines collectivités étudient la possibilité de rétrofiter ces bus hybrides diesel-électrique en autobus électriques à batteries.