Im Rahmen der North American International Auto Show stellte Toyota im Januar 2009 die dritte Generation des Toyota Prius vor. Dieser kam am 18. Mai 2009 auf den japanischen Markt. Bis zum Februar 2010 wurden mehr als 300.000 Exemplare in mehr als 60 Ländern verkauft. In Japan war es 2009 das meistverkaufte Fahrzeug.

Das Hybridsystem wurde zu 90 Prozent neu entwickelt, wodurch es um 20 Prozent leichter wurde. Das Gesamtgewicht des Fahrzeugs liegt allerdings – abhängig von der gewählten Ausstattung – etwa 70 kg über dem des Vorgängers. Toyota begründet dies mit Änderungen an der Karosserie, um die Crashsicherheit zu verbessern. Elektrik- und Elektronik-Komponenten wurden neu entwickelt. Der mit einem neuen Kühlsystem ausgestattete Spannungswandler wurde leichter und die Effizienz der Leistungselektronik verbessert.

Der neu entwickelte Viertakt-Motor (Typ 2ZR-FXE) wird weiterhin mit Atkinson-Zyklus betrieben und leistet statt vorher 58 kW nun 73 kW, was eine von 82 kW auf 100 kW (etwa 136 PS) gesteigerte Systemleistung ergibt. Durch die Vergrößerung des Hubraums auf 1,8 Liter wurde das Drehzahlniveau und damit der Verbrauch insbesondere bei höheren Geschwindigkeiten gesenkt. Die Abgaswärme wird zur Erwärmung der Motorkühlflüssigkeit verwendet, was die Dauer der Kaltlaufphase und damit den Kraftstoffverbrauch verringert. Der Motor hat keinen Keilriemen mehr, auch die Kühlwasserpumpe wird elektrisch angetrieben.

Der das Fahrzeug hauptsächlich antreibende Elektromotor MG 2 leistet statt vormals 50 kW nun 60 kW und wurde leichter. Das Drehmoment dieses Elektromotors wurde von 400 auf 207 Nm reduziert; jedoch wurde das Drehzahlniveau verdoppelt und der Elektromotor mit einem integrierten Untersetzungsgetriebe ausgestattet. Es stehen vier Fahrmodi zur Verfügung: Rein elektrisch, Standard, Eco und Power.

Das Design wurde nur maßvoll verändert, so dass der Prius auch weiterhin auf den ersten Blick erkennbar ist. Die Karosserie bietet den Fondpassagieren u. a. durch Umgestaltung der Rückenlehnen und der Dachlinie mehr Platz. Eine geänderte Form der Ni-MH-Akkus vergrößert den Kofferraum. Radstand und Höhe des Fahrzeugs sind unverändert geblieben. Verbesserungen der Aerodynamik wurden u. a. durch die Verkleidung des Unterbodens erzielt.

In Verbindung mit dem neu entwickelten Hybridsystem konnte trotz der Leistungssteigerung der Durchschnittsverbrauch im US-Verbrauchszyklus von vormals 5,1 l/100 km auf 4,7 l/100 km (50 MPG) gesenkt werden.

Der Verbrauch im „neuen europäischen Fahrzyklus“ (NEFZ) liegt bei 3,9 l/100 km (innerorts: 3,9 l; außerorts: 3,7 l).

Als Option ist für den Prius ZVW30 ein Solar-Schiebedach verfügbar. Es ermöglicht eine Belüftung des stehenden Fahrzeugs bei starker Sonneneinstrahlung, ohne dass das Hybridsystem eingeschaltet sein müsste.

Im Februar 2010 hat Toyota die bis dahin gebauten Prius-Modelle der dritten Serie zum Software-Update des Antiblockiersystems in die Werkstätten zurückgerufen. Bei nur leichtem Druck auf das Bremspedal auf holpriger oder rutschiger Fahrbahn in einem Geschwindigkeitsbereich zwischen 3 und 6 km/h hatte das Steuersystem Probleme, sich zwischen dem Einsatz der hydraulischen Bremsanlage und der Bremsenergierückgewinnung zu entscheiden, wodurch die Bremswirkung um bis 0,2 Sekunden verzögert einsetzen konnte. Der Prius hat Scheibenbremsen an allen Rädern, wobei die vorderen innenbelüftet sind. Das Fahrwerk hat eine MacPherson-Vorderradaufhängung und eine Torsionslenker-Hinterachse.