シリーズ（直列）方式は、発電機を駆動することのみにエンジンを使用し、その電気でモーターを駆動し走行する方式。さらにエンジンで発電した際の余剰電力および回生ブレーキにより発生した電力を蓄電池に回収し使用する。言わば『エンジンを発電用の動力源として搭載した電気自動車』である。
エンジンで発電しモーターで走行する方法自体は、ガス・エレクトリックやディーゼル・エレクトリックおよびターボ・エレクトリックと呼ばれる方式がある。これらは古くから鉄道車両や船舶で実用化されており、「枯れた技術」と言われることがあるが、これらで生み出された電力は基本的にバッテリーを介さない。初期のハイブリッド車はこれをベースとしており、発電機とモーターの間に大容量バッテリーを追加することで、エンジンと発電機双方の小型化と、エンジンの使用率低減が可能となり、効率を改善した。このような事情から、重量と体積（設置スペース）の増加を無視すればエンジン選定の自由度が最も高いシステムであり、制御面で劣るタービン系（マイクロタービン）も採用できるのが当方式で最大の特色でもある。自動車用燃料としての税制面での整備が必要となるが、タービンエンジンでは、通常自動車用として使われていない灯油などのケロシン系燃料の使用が可能となる。
また、燃料が切れた場合や静粛性が求められる場合でも、バッテリー残量に余裕があれば、エンジンを止めモーターのみ（EVモード）で走行することが可能である。
モーター駆動であるため出力制御が容易で、通常の自動車に必須なトランスミッションが不要であることが利点であるが、内燃車と電気車のシステムが共存するため、システム占有体積と重量が大きくなること、エンジン動力を一旦電気に変換する際に発生する熱エネルギーの損失が多く、回生制御が働かないと効率が落ちることが欠点となる。この点を補うため、バッテリーの容量を縮小し、エンジンで随時発電を行う方式が開発された。エンジンの効率が著しく悪い低負荷ではバッテリーからの電力でEV走行し、ある程度以上の負荷では走行に必要な電力をエンジンの発電でまかなう。長い登坂や高速巡航時にはエンジンの最良燃料消費率となる領域以外も使用する（燃費が悪化する）ことになるが、トランスミッションで接続されていないため、求められた出力に対して熱効率が最も良いエンジンの領域を使うことが出来る。