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Una via alternativa, particolarmente promettente a livello di ricerca di base, è la produzione biologica di idrogeno che sfrutta processi legati a microrganismi come batteri rossi, cianobatteri e microalghe. Questi microrganismi sono capaci, nelle opportune condizioni, di sfruttare una via metabolica che porta alla produzione di idrogeno, sfruttando fonti diverse.

Le microalghe (come ad esempio Chlamydomonas reinhardtii) producono idrogeno utilizzando come substrato principale acqua e luce (in un processo chiamato biofotolisi). L'acqua viene utilizzata come fonte di elettroni (e-) e protoni (H+), mentre la luce fornisce l'energia necessaria per far avvenire il processo, secondo la reazione:

    2H+ + 2e- + luce → H2

In questo modo, l'energia della luce viene raccolta nella forma dell'idrogeno gassoso. Sebbene questo sia reputato il metodo più pulito ed efficiente (unicamente dal punto di visto dell'efficienza di conversione dell'energia in idrogeno), lo studio e la comprensione di tutti i processi specificamente coinvolti nella biofotolisi sono ancora a livello di ricerca di base. Ad esempio, non è chiaro quale sia il vero ruolo della respirazione mitocondriale, dell'idrogenasi (l'enzima responsabile della produzione di idrogeno), della clororespirazione e quello dei carboidrati accumulati dalla microalga. Proprio sul ruolo di questi ultimi si è concentrato lo sforzo del mondo scientifico negli ultimi anni (a partire dal 2000, anno di pubblicazione di un importante articolo del ricercatore greco Anastasios Melis, dell'università della California, Berkeley che ha ridato vita a questo tipo di ricerca) tanto da ipotizzare addirittura non una biofotolisi ma, come per i batteri rossi, una vera e propria fermentazione. La questione è ancora aperta. Un altro problema piuttosto importante per la futuribilità di questo processo sono i tassi di produzione di idrogeno, finora molto bassi soprattutto se comparati con i batteri rossi: questo renderebbe l'applicabilità su larga scala economicamente sfavorevole (l'utilizzo di un fotobioreattore- reattore all'interno del quale avvengono processi che utilizzano la luce- è un altro punto chiave nell'economia del processo).

I batteri rossi non sulfurei sono capaci di produrre idrogeno a partire da materiale organico in un processo fermentativo. La fermentazione biologica è uno stadio iniziale della digestione anaerobica (ovvero che avviene in assenza di ossigeno) e può avvenire in presenza di luce (fotofermentazione) o in sua assenza (fermentazione al buio). A differenza della biofotolisi, la fonte di elettroni e protoni in questo caso è la materia organica. Questo porta inevitabilmente al rilascio di CO2 nel processo produttivo. Ad ogni modo, questa CO2 non aumenta il bilancio termico della terra in quanto non proveniente da sostanze fossili, ma rinnovabili. Entrambi questi processi (fermentazione al buio e alla luce) sono stati molto studiati negli ultimi 30 anni.

La fotofermentazione porta alla produzione di idrogeno utilizzando sia il substrato organico che la luce. Come detto, il substrato organico è la fonte di protoni ed elettroni, mentre la luce viene utilizzata sostanzialmente per attivare l'enzima responsabile della produzione di idrogeno, una nitrogenasi. Questo enzima ha una energia di attivazione abbastanza alta; come conseguenza, l'efficienza di conversione energetica (luce+sostanza organica/idrogeno) non è molto alta. Ad ogni modo, i tassi di produzione con batteri rossi sono molto alti, il che rende economicamente fattibile la costruzione di impianti industriali (anche in questo caso l'utilizzo di fotobioreattori è obbligato). La scarsa efficienza dei processi fermentativi alla luce ed il costo dei fotobioreattori ha portato ad un maggiore interesse nei processi fermentativi al buio. Sebbene tecnicamente molto più semplice da realizzare, questo processo è capace di utilizzare solo una minima parte dell'energia presente nella materia organica (questo limite è stato ben spiegato da Thauer nel 1977), lasciando composti organici ancora utilizzabili all'interno della coltura. Ad ogni modo, l'utilizzo della materia organica può essere associata allo smaltimento di un certo tipo di rifiuti. Questa possibilità ha finito per nobilitare il processo fermentativo anche se energeticamente sfavorevole dal punto di vista dell'efficienza di conversione. A differenza delle microalghe e dei cianobatteri, infatti, la produzione di idrogeno con i batteri rossi è già da oggi una biotecnologia che, opportunamente applicata, può dare risultati effettivi. Una delle soluzioni ipotizzate è l'accoppiamento dei due processi fermentativi al fine di scomporre tutti i composti organici nel mezzo di coltura. Questa soluzione prevederebbe una prima fermentazione al buio (utilizzando eventualmente rifiuti organici, con relativo basso costo della materia prima). Alla fine del processo al buio, la coltura batterica verrebbe separata dal mezzo colturale il quale verrebbe riutilizzato nella fotofermentazione per la definitiva scomposizione del materiale organico. In quest'ottica, anche la produzione di biomassa fermentabile quali colture di microrganismi come microalghe è stata suggerita. Gli attuali punti deboli di questa soluzione risiedono nel costo del fotobioreattore, nell'effettiva applicabilità ad ogni tipo di rifiuto organico, nel costo della materia prima, nella presenza di molecole contenenti zolfo o azoto nel biogas prodotto dalla coltura (specialmente utilizzando il rifiuto organico urbano) e nella sfiducia delle aziende coinvolte nello smaltimento dei rifiuti nell'utilizzo e nello sviluppo di una nuova biotecnologia.

Il 3 novembre 2006, la rivista Science ha pubblicato lo studio di un gruppo di ricerca internazionale guidato dal Lawrence Livermore Lab di Berkeley. Gli scienziati hanno messo a punto una tecnica di spettrografia ai raggi X e cristallografia per fotografare la fotolisi dell'acqua, premessa per lo sviluppo di tecnologie che usano la luce solare per la divisione dell'acqua e la produzione di idrogeno (da fonti rinnovabili). La tecnica ha permesso di osservare i passaggi della reazione di ossidazione dell'acqua, legami atomici e molecolari, gli scambi tra catalizzatore e proteina. Il catalizzatore scoperto è stato chiamato "Photosyntesis 2" ed è una molecola di 4 atomi di manganese e uno di calcio.