El motor del BMW M5 (vídeo del vano motor, puesta en marcha) es similar, pero no el mismo, que el del X5 M y X6 M (que a su vez deriva del que tienen el 750i y el X6 xDrive50i con 408 CV). Respecto al del X5 M, el del M5 también tiene ocho cilindros en «V», 4395 cm³, inyección directa de gasolina, dos turbocompresores de entrada doble y el sistema de distribución variable en fase «Doble-Vanos» pero además lleva de alzada «Valvetronic» (que permite prescindir de la mariposa de admisión). Da 560 CV entre 6000 y 7000 rpm y 680 Nm de par máximo, constante entre 1500 y 5750 rpm.

Los dos turbocompresores de entrada doble (llamados «twin scroll») dan una presión máxima de admisión es 1,5 bar. Están colocados entre las dos filas de cilindros (junto a los catalizadores; imagen) y alimentados por los gases de escape que provienen de un único colector. De este modo, los conductos de admisión y escape son más cortos y las pérdidas de carga son menores. Los cuatro conductos de escape de cada fila de cilindros están conectados dos a dos (de forma que sus secuencias de encendido están desfasadas 360 grados entre sí; imagen del colector). Las pulsaciones del flujo de gases de escape en cada uno de los dos turbos son homogéneas (la longitud de los tubos de los dos cilindros unidos es la misma) y la presión que alimenta a la turbina es homogénea.

La lubricación es por cárter húmedo (en algunos coches deportivos es seco). BMW dice «que garantiza una perfecta lubricación del motor aunque el coche esté expuesto a fuerzas de aceleración longitudinales o laterales extremas».

El radiador del motor está colocado en posición horizontal, no vertical. Hay dos bombas para el circuito de refrigeración; son eléctricas, lo que permite que sigan funcionando una vez que de ha parado el motor. El aire de admsión se enfria en un radiador de agua.

Los frenos tienen discos de 400 mm de diámetro delante y 396 detrás. Son lo que BMW llama compuestos, porque el anillo de fricción y el soporte son de materiales diferentes (fundición gris y aluminio, respectivamente). Las pinzas están pintadas de azul y son de seis pistones en las ruedas delanteras y de uno en las traseras (por tanto, las pinzas delanteras son fijas y las traseras flotantes). El freno de estacionamiento es eléctrico.