Dans sa déclinaison hybride, le Q5 d'Audi est animé par un moteur quatre cylindres turbocompressé TFSI de 2.0 litres à injection directe d'essence et par un moteur électrique.

Le moteur à essence délivre une puissance de 211 ch avec un couple maximal de 350 Nm disponible entre 1 500 et 4 200 tr/min, alors que le moteur électrique dispose de 34 ch avec un couple immédiatement disponible.

Les deux moteurs sont installés l'un à côté de l'autre sous le capot moteur. Ils forment un système hybride parallèle.

En forme de disque, le moteur électrique est combiné à un embrayage multidisques baignant dans l'huile. Il relie et sépare à tour de rôle le moteur électrique et le moteur à essence TFSI turbocompressé. Une boîte tiptronic à huit rapports modifiée transmet la puissance aux quatre roues motrices du Q5 Hybride Quattro.

L'électronique de puissance reliée avec la batterie et le moteur électrique est logée dans la boîte à eau du compartiment moteur.

Avec son système hybride parallèle, le Q5 hybride peut rouler avec le seul moteur quatre cylindres turbocompressé à injection directe d'essence, avec le seul moteur électrique ou en combinant la puissance délivrée par les moteurs thermique et électrique.

À l'arrêt, les deux motorisations sont désactivées. Lorsque le moteur 2.0 TFSI est coupé, une pompe électrique maintient la pression de l'huile dans le système hydraulique et assure ainsi la fonction d'arrêt-démarrage. Dès que le conducteur relâche le frein, le Q5 hybride roule à l'électricité jusqu'à une vitesse de 100 km/h.

Sur route, lorsque le conducteur lève le pied de l'accélérateur, le moteur électrique du Q5 hybride fonctionne comme un générateur et récupère de l'énergie. Le moteur TFSI est alors découplé de la transmission et ne génère ainsi pas de pertes. Le courant récupéré par le moteur électrique lors des décélérations et des freinages est stocké dans la batterie lithium-ion. Lorsque de légers freinages, le moteur électrique assure le ralentissement du véhicule. En cas de freinages plus forts, le système de freinage hydraulique est activé en parallèle.

Avec ses deux motorisations combinées, le Q5 dispose d'une puissance cumulée de 245 ch avec un couple de 480 Nm.

Avec son système hybrid parallèle, le Q5 Hybrid Quattro d'Audi compte cinq états de fonctionnement. Il peut rouler avec le seul moteur à combustion, avec le seul moteur électrique et en mode hybrid. Il peut également récupérer de l'énergie et bénéficier d'un surplus de puissance avec une fonction « boost ».

Le conducteur choisit entre les trois programmes (EV, D et S) à l'aide d'une touche de la console centrale ou d'un levier de sélection. Une fonction EV permet au conducteur d'activer la propulsion électrique en ville. Le programme D contrôle les deux moteurs en optimisant la consommation d'essence et le mode S est conçu pour une conduite sportive.

Lorsque le conducteur accélère fortement, c'est le moteur à essence qui entraîne les roues. Le moteur électrique est ensuite activé pour optimiser la consommation. Lors de fortes accélérations, une  fonction « boost » fait brièvement fonctionner conjointement le moteur électrique avec le moteur TFSI à plein régime en mode S.

Le SUV hybride d'Audi franchit le 0 à 100 km/h en 7,1 secondes. Il accélère de 80 à 120 km/h en cinquième en 5,9 secondes. Sur circuit, le Q5 hybride atteint une vitesse de pointe de 222 km/h.

Une batterie lithium-ion d'une capacité de 39 kWh fait office d'accumulateur d'énergie pour le moteur électrique de 34 ch du Q5 hybride. D'un poids de 38 kilogrammes et d'un volume de 26 litres, elle est implantée sous le plancher du SUV Audi, dans une zone à l'abri des collisions. L'accumulateur est composé de 72 cellules. Son énergie nominale est de 1,3 kWh et sa capacité de 39 kWh pour une tension de 266 V.

La batterie lithium-ion est refroidie par de l'air. En cas de faible sollicitation thermique, elle reçoit de l'air tempéré en provenance de l'habitacle. Lorsque sa température dépasse une certaine valeur, elle active son propre circuit de refroidissement raccordé à la climatisation automatique principale du véhicule et utilise son propre évaporateur.

L'Audi Q5 peut parcourir environ trois kilomètres en mode électrique zéro émission à une vitesse constante de 60 km/h.

La consommation moyenne dans le cycle normal (NEDC) ressort à moins de 7,0 litres aux 100 km avec des émissions de CO2/km de moins de 160 grammes.

Pour optimiser l'aérodynamique du Q5 Hybrid Quattro, la hauteur du châssis a été abaissée de 25 mm.

Pour limiter son poids, la roue de secours est remplacée par un compresseur et un produit de colmatage en cas de crevaison.

Une instrumentation de  bord spécifique permet de suivre le fonctionnement du système hybride en temps réel. Le compte-tour est remplacé par un Powermeter pour suivre les conditions d'utilisation et de production du système hybride. Une interface détaille en temps réel les flux d'énergie et l'utilisation des composants hybride utilisé par le conducteur, l'énergie récupérée par le moteur électrique et la consommation moyenne.