El motor del X5 M tiene ocho cilindros en V y 4.395 cm³. Da 555 CV a 6.000 rpm y 680 Nm de par máximo, constante entre 1.500 y 5.650 rpm.
Es de inyección directa de gasolina (a 200 bar), tiene distribución variable «Doble-Vanos» y dos turbocompresores de entrada doble. Este tipo de sobrealimentación («twin scroll») permite aprovechar mejor la presión de los gases de escape para impulsar la turbina. La presión máxima de admisión es 1,5 bar.
Este motor, el mismo que el X6 M, está basado en el que tienen el 750i y el X6 xDrive50i (408 CV). Algunas diferencias son que tiene turbocompresores de entrada doble (imagen), diferentes pistones y árboles de levas, un sistema de refrigeración del aire de admisión con un radiador aire-agua con su propia bomba eléctrica y otra bomba eléctrica para enfriar los rodamientos de los turbocompresores (que funciona después de apagar el motor) además de la bomba normal accionada por la distribución.
Los dos turbocompresores 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. Así, 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. De este modo, 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.
BMW utiliza un conjunto de medidas para reducir en lo posible el consumo de combustible, que denomina «EfficientDynamics». Son un alternador que produce energía principalmente durante los periodos de deceleración (cuando se frena o el motor está reteniendo), una bomba de gasolina de caudal variable, un compresor del aire acondicionado que se desacopla cuando no está funcionando y una bomba del circuito hidráulico del sistema de barras estabilizadoras activas que se desconecta cuando no es necesaria.
La caja de cambios es automática, de convertidor hidráulico de par, con seis relaciones (más información). El cárter es de aluminio, con canales de refrigeración en su superficie.