Opak paralelního hybridu. Struktura pohonného systému zde vypadá tak, že elektromotor a spalovací motor jsou zapojeny za sebou. Někdy se tento typ hybridních aut označuje také jako E-REV nebo REEV (Range-Extended Electric Vehicle). Sériové hybridy mají mnohem blíže ke klasickým elektromobilům. Spalovací motor zde totiž slouží pouze jako generátor energie pro elektromotor, případně baterie. Je možné, aby pohonný systém odebíral energii najednou z baterie i z generátoru, pokud je třeba vysokého výkonu.
Některé automobily využívají jeden elektromotor pro pohon celého automobilu, ale je možné umístit do vozu elektromotorů také více. Například koncept supersportu Audi e-tron využívá pro každé kolo jednoho elektromotoru. Výhodou je, že spalovací motor není nijak napojen na samotná kola, a tak může být optimalizován pro velice efektivní běh, čímž snižuje svou spotřebu paliva. Lze tak dosáhnout teoretického limitu efektivity 37%, zatímco běžně je v autech dosahována zhruba 20% účinnost.
Sériový hybrid má však i své nevýhody, a to zejména při cestování vysokou rychlostí na velké vzdálenosti, např. při jízdě po dálnici. V takovém případě musí zajistit většinu energie, což znamená zhruba o 20%-30% nižší účinnost než v případě paralelního hybridu.
V roce 1997 uvedla automobilka Toyota v domácím Japonsku první hybridní autobus založený na technologii sériového hybridu. V Číně se 15. prosince 2008 začal prodávat první sériově vyráběný sériový hybridní automobil, jde o model BYD F3DM. Do Evropy a Ameriky by se měl dostat během roku 2011. V Číně se prodáva v přepočtu za 16 000 dolarů, při současném kurzu (asi 17 Kč, září 2009) to dělá neuvěřitelných 272 000 Kč. Dalším příkladem sériového hybridu je chystaný Chevy Volt (také 2011) využívající pohonný systém Voltec.
