Biotreibstoffe werden aus nachwachsenden Rohstoffen erzeugt und seit einigen Jahren als umweltfreundliche Alternative zu Benzin und Dieselöl propagiert. Ihr Einsatz soll den CO2-Ausstoss des Verkehrs mindern, weil das Klimagas von den nachwachsenden Pflanzen gebunden wird. Im Idealfall wären sie daher CO2-neutral.

Ob sich mit Biotreibstoffen tatsächlich CO2 einsparen lässt, hängt aber stark von den verwendeten Rohstoffen und der Herstellungsweise ab. Andere Probleme, die Biotreibstoffe mit sich bringen können, sind ein hoher Ressourcenbedarf, beispielsweise Wasser und Agrarland, eine Konkurrenz zur Nahrungsmittelproduktion und die Umweltfolgen einer intensiven Landwirtschaft mit Monokulturen und hohem Dünger- sowie Pestizideinsatz.

Biotreibstoffe sind daher umstritten. In der Schweiz sind dennoch Treibstoffe aus erneuerbaren pflanzlichen Rohstoffen seit Mitte 2008 mit gewissen Auflagen von der Mineralölsteuer befreit. Aufgrund des hohen Bedarfs an Landwirtschaftsfläche und hoher Herstellungskosten ist es trotz Fördermassnahmen unwahrscheinlich, dass Ethanol und Biodiesel jemals einen wirklich entscheidenden Beitrag zur Treibstoffversorgung leisten werden. Die IEA schätzt, dass Biotreibstoffe bis 2030 weltweit einen Anteil von 4 bis 7 Prozent erreichen werden.

Bioethanol ist reiner Alkohol, der aus zucker- und stärkehaltigen Pflanzen wie Mais, Zuckerrohr, Kartoffeln oder Weizen erzeugt wird. Auch zellulosehaltige Biomasse wie Stroh, Gras oder Holz eignet sich als Ausgangsmaterial - das ökologisch sinnvollere Herstellungsverfahren ist jedoch aufwendiger und teurer. Bioethanol kann in reiner Form oder als Beimischung zu Benzin verwendet werden. Bis zu einem Ethanolanteil von 5 Prozent erfüllt das Benzin die Anforderungen der europäischen Benzinnorm. Höhere Ethanolgehalte machen Anpassungen am Motor notwendig. Ethanol hat eine hohe Klopffestigkeit, was sich positiv auf die Benzinqualität auswirkt. Zudem lässt sich der Schadstoffausstoss durch dessen Beimischung verringern. Jedoch stellt die durch Ethanolbeimischung erhöhte Wasseraufnahmefähigkeit des Treibstoffs zusätzliche Anforderungen an die Lagerung, und der tiefere Energiegehalt resultiert in einem erhöhten Treibstoffverbrauch.

Biodiesel kann aus pflanzlichen Ölen, tierischen Fetten oder rezykliertem Speiseöl hergestellt werden. Dieser Treibstoff kann dem Diesel beigemischt oder in reiner Form verwendet werden. Im letzteren Fall sind jedoch Anpassungen am Fahrzeug notwendig. In Mitteleuropa am meisten verbreitet ist Rapsölmethylester (RME). Dessen ökologischer Nutzen ist allerdings umstritten, weil die Herstellung energieintensiv ist, beim Anbau Düngemittel zum Einsatz kommen, die Treibhausgase freisetzen.

Bei der kontrollierten Vergärung von organischen Abfällen, Gülle oder Klärschlamm bildet sich Biogas, das über Wärme-Kraft-Koppelungs-Anlagen in Wärme und Strom umgewandelt oder ins Gasnetz eingespeist werden kann. In der Schweiz wird Biogas im Umfang von 10 Prozent der in der Schweiz als Treibstoff abgesetzten Erdgasmenge ins Erdgasnetz eingespeist. Das Erd- und Biogas-Gemisch wird unter dem Namen Naturgas vertrieben. An wenigen Tankstellen kann auch reines Biogas bezogen werden. Die Verwendung von Biogas als Treibstoff reduziert Schadstoff- und CO2-Emissionen. Das Treibstoff-Potenzial von Biogas wird jedoch durch die anfallende Menge organischer Abfälle limitiert und zusätzlich durch die Stromproduktion konkurrenziert.