Como en el Prius no-enchufable, el Plug-in tiene un motor de gasolina y dos eléctricos que desarrollan conjuntamente un máximo de 122 CV. El motor de combustión es atmosférico de 1,8 litros de cilindrada y funciona bajo el ciclo Atkinson (información técnica).

Estos tres motores se relacionan entre sí mediante un engranaje planetario. Este elemento, no solo conecta los tres motores y las ruedas, sino que hace las veces de transmisión con la peculiaridad de que no hay marchas fijas, sino un número infinito de ellas. En este aspecto se asemeja a un cambio de variador continuo, aunque estructuralmente no tengan nada en común. En el artículo del Prius 2004 explicamos con detalle cómo funcionan y se relacionan entre sí los componentes del sistema híbrido.

El funcionamiento del sistema híbrido del Prius Plug-in tiene una característica que le hace diferente al del Prius no-enchufable: los dos motores eléctricos pueden trabajar simultáneamente para mover el vehículo mientras se mantiene apagado el motor de combustión. Eso es algo que un Prius convencional no puede hacer debido a cómo están unidos el generador y el motor de combustión. En un Prius híbrido no se puede utilizar el generador como máquina impulsora, ya que ello obligaría al motor de combustión a girar en sentido inverso. Para resolver este problema, Toyota ha introducido un embrague que sólo puede girar en un sentido y que permite aislar el movimiento del generador para que éste pueda actuar como motor sin afectar al motor de combustión. A esta solución Toyota le ha dado el nombre de Dual Motor Drive System.  

El resultado es que la potencia máxima en modo eléctrico es 20 CV superior (92 CV), y posibilita que se pueda alcanzar mayor velocidad en modo eléctrico (135 km) y hacer aceleraciones más fuertes antes de que sea necesario arrancar el motor de gasolina.  En el Prius Plug-in Hybrid de 2013 (cuya autonomía NEDC era de 25 km) la velocidad máxima era 85 km/h.

La batería que alimenta a los motores eléctricos es de iones de litio, pesa 120 kilogramos y tiene una capacidad de 8,8 kWh. Puede dar una potencia máxima de 92 CV.

El Prius está construido sobre la plataforma modular denominada TNGA (Toyota New Global Architecture) que está fabricada, en parte, con acero de alta resistencia. Es la misma plataforma del Prius y del C-HR. Además, el capó es de aluminio y el portón del maletero, de plástico reforzado con fibra de carbono (CFRP, siglas de la expresión inglesa «Carbon Fiber Reinforced Plastic»).