El sistema de propulsión del Audi Q5 Hybrid consta de dos motores, uno de combustión interna (de gasolina) y otro eléctrico. El de gasolina es exactamente el mismo que tiene el Q5 2.0 TFSI: un motor de inyección directa y sobrealimentación mediante turbocompresor; tiene 211 CV.

El motor eléctrico es de tipo síncrono, de imanes permanentes y produce un pico de potencia máximo de 40 kW (33 kW de forma continua). Este motor en las deceleraciones se convierte en un alternador, transformando la energía cinética en eléctrica.

La forma en que interactúan los dos motores es una variante de la que el Grupo Volkswagen utiliza en otro modelo (el Touareg Hybrid). Audi ha utilizado la caja automática Tiptronic de ocho relaciones y ha eliminado el convertidor de par. En su lugar, ha colocado un volante de inercia bimasa, el motor eléctrico y un embrague multidisco bañado en aceite (imagen). Con este embrague multidisco Audi evita utilizar un embrague monodisco y un convertidor de par, que es lo que hay en el Touareg (y en el Porsche Cayenne S Hybrid).

El embrague está unido por un lado al eje primario de transmisión y por la otra al volante de inercia, que a su vez está unido al motor de gasolina. El rotor del motor eléctrico está unido siempre a la transmisión. Cuando se circula en modo eléctrico, el embrague se abre y así el motor térmico puede pararse. Cuando circula con el impulso único del motor de gasolina, el embrague está cerrado y el motor eléctrico es arrastrado ofreciendo la menor resistencia posible, ya que sólo produce la electricidad necesaria para mantener en funcionamiento los elementos que sean necesarios. Cuando ambos motores impulsan el coche, el embrague sigue cerrado y el eléctrico aporta potencia adicional.

La energía eléctrica se almacena en una batería de iones de litio. Pesa 36,7 kg y va colocada bajo el piso del maletero, en la zona próxima a los asientos. Está formada por 72 celdas y da 266 V. Tiene una capacidad de 1,36 kWh (muy similar a la que tiene la de un Toyota Prius, que es de níquel e hidruro metálico). Para asegurar su funcionamiento está refrigerada (imagen) de dos modos: introduciendo aire del habitáculo o mediante un circuito de refrigeración independiente, que usa el compresor del aire acondicionado pero que dispone de su propio evaporador.

Audi ha reemplazado el compresor del aire acondicionado accionado por correa por uno eléctrico que asegura el funcionamiento cuando el motor de gasolina está apagado. Por el mismo motivo, tiene una bomba eléctrica de vacío para producir la depresión necesaria para el servofreno.

El Audi Q5 hybrid quattro pesa 1.985 kg, 155 kg más que la versión no híbrida con el mismo motor. Es más bajo (25 mm), por la suspensión, para mejorar la resistencia aerodinámica. La dirección tiene una desmultiplicación algo menor.