4代目は3代目と同様、1.8ℓ直4自然吸気エンジンを搭載する。2ZR-FXEの名称に変更はなく、13:1の圧縮比（レギュラーガソリン）も変わりない。最高出力は72kW/5200rpmで、先代比1kW減（発生回転数は同じ）。142Nmの最大トルクは同じで、発生回転数は先代の4000rpmから3600rpmに下がっている。
最大熱効率を38.5%から40.0%に向上させたのが最大のハイライトだが、主にふたつの技術により達成した。ひとつは吸気ポートの形状変更などで高タンブル化したこと。もうひとつはEGR率を高めたことだ。
最大熱効率を38.5%から40.0%に向上させたのが最大のハイライトだが、主にふたつの技術により達成した。ひとつは吸気ポートの形状変更などで高タンブル化したこと。もうひとつはEGR率を高めたことだ。
ガソリン車でEGR（吸気への排ガス再流入）を導入すると、スロットル開度が大きくなるため、ポンピングロスが小さくなって燃費改善につながる。また、原理的にはEGR率が高くなるほど燃費改善の効果は大きくなる。3代目プリウスでは最大18%だったEGR率を、4代目では最大25%まで高めた。
さらに、吸気チャンバーの構造にも手を入れた。従来は大きな容積のあるチャンバーに空気を入れ、4つの気筒の吸気圧で吸う構造だった。4代目は各気筒に均等に分配されるよう、1-2-4のトーナメント型配管を取り入れた。気筒ごとのEGR率のばらつきを極力抑えるためのアイデアである。
3代目プリウスでは、2代目比で排気量を300cc増量することで、高速走行時のエンジン回転数を低下させ、燃費改善効果を手に入れていた。4代目では110km/hまでエンジンを止められるようにしたという。負荷が高く、高速域が加わるWLTCが導入された場合、現行モードと同等の数字を維持するのは不可能だが、将来のWLTC導入を見込んだ開発は行なっている。
エンジン本体と排気熱回収器&ヒーターで冷却系統を分ける2系統冷却システムは、トヨタのエンジンとして初採用。ノッキングを回避するためヘッド側は冷やし、フリクションを減らすためブロック側は過度に冷やさないよう、ウォータージャケットにスペーサーを入れている。
■ 2ZR-FXE 直列4気筒DOHC 排気量：1797cc ボア×ストローク：80.5×88.3mm 圧縮比：13.1 最高出力：72kW/5200rpm 最大トルク：142Nm/3600rpm 最大熱効率：40%