Si de nombreux doutes planent encore sur l’intérêt des biocarburants actuels, tout le monde semble en revanche s’accorder pour mener des recherches sur les biocarburants de seconde génération. Ces derniers peuvent être définies comme étant celles qui utilisent la biomasse lignocellulosique, soit des plantes entières comme matière première au lieu de n’utiliser que les graines ou les tubercules.

Plusieurs filières sont envisageables. Une première vise à produire du carburant gazole et du kérosène par une méthode thermochimique (filière BtL pour Biomass to Liquid). Cette filière comporte une succession d'opérations visant à produire un carburant de synthèse liquide à partir de la biomasse. Elle comporte trois grandes étapes : le conditionnement de la biomasse, la gazéification et le traitement du gaz de synthèse, et la synthèse du carburant. Certaines de ces opérations ont déjà été éprouvées dans un contexte industriel dans des projets utilisant comme matière première du gaz naturel (GtL) ou du charbon (CtL). En France, le projet Biocarb conduit par le CEA en coordination avec l’Institut français du pétrole (IFP) travaille sur ce sujet.
Une seconde voie vise à produire de l’éthanol à partir de plantes entières. Les végétaux réduits en bouillie sont hydrolysés par des microorganismes qui permettent l’obtention de sucre (glucose) qui est fermenté et qui est à l’origine de la production de bioéthanol. Le premier enzyme commercial destiné à la production d'éthanol par la dégradation de la biomasse a d’ailleurs été dévoilé récemment.

Selon les premières estimations, le bilan énergétique des biocarburants de seconde génération serait supérieur à celui de ceux de première génération. D’après l’INRA et l’IFP, les carburants de seconde génération pourraient produire jusque 3 ou 4 unité d’énergie pour une unité consommée. Mais là encore, l’OCDE craint que la technologie ne soit pas économiquement viable : même avec des développements technologiques positifs il y a des doutes sérieux au sujet de la possibilité d'utiliser des résidus agricoles comme biomasse sur une grande échelle.

De nombreux travaux sont donc menés aux États-Unis et en Europe, avec comme objectifs majeurs de réduire les coûts de production pour pouvoir passer très vite à une production à grande échelle : aujourd'hui de l'ordre de 1 €/l équivalent pétrole pour les deux filières ; des cibles ambitieuses pour l'horizon 2010-2015 de 0,4 €/l équivalent pétrole pour l'éthanol et 0,7 €/l pour la filière BtL ont été fixées. À plus long terme, certains annoncent même pouvoir atteindre 0,5 €/l équivalent pétrole pour la filière BtL.

D’autres recherches portent également sur la flore marine. Le projet SHAMASH par exemple, a pour objectif de produire à l’horizon 2010 un nouveau biocarburant à partir de microalgues autotrophes. 
Ces microorganismes peuvent accumuler jusqu'à 50% de leur poids sec en acides gras, permettant d’envisager des rendements à l'hectare supérieurs d'un facteur 30 aux espèces oléagineuses terrestres. De plus, la culture de microalgues en serre à grande échelle n'a pas besoin d'apport de produit phytosanitaires et permet de maîtriser le cycle de l'azote et du phosphore en contrôlant le recyclage des éléments nutritifs.
Cette option est aussi envisagée par la société Boeing qui travaille au développement de biocarburants composé d'un mélange de kérosène et de biocarburant développé à partir d'algues.