El sistema propulsor del XM da una potencia máxima de 653 CV y un par máximo de 800 Nm. Está compuesto por un motor de gasolina V8 de 4,4 litros y 489 CV y uno eléctrico síncrono de 197 CV (este motor está integrado en la caja de cambios automática de ocho relaciones). El XM acelera de 0 a 100 km/h en 4,3 segundos y alcanza una velocidad máxima de 250 km/h (en opción se puede incrementar el límite a 270 km/h). La masa es de 2785 kg.
La batería tiene una capacidad neta de 25,7 kWh (29,5 kWh brutos), gracias a la cual el XM recorre 88 km en modo eléctrico durante la prueba de homologación. Con el botón M Hybrid se seleccionan los modos de funcionamiento del sistema híbrido, que son tres: Hybrid, Electric y eHybrid. Con el modo eléctrico (Electric), el XM puede alcanzar 140 km/h. La batería carga a un máximo de 7,4 kW (4,25 horas para pasar de 0 a 100 %).
Tiene tracción y dirección en las cuatro ruedas, suspensión de dureza variable (M Professional) y estabilizadoras activas (cambian su resistencia a la torsión mediante un motor eléctrico que une las dos partes de la barra; el motor tiene un suministro eléctrico mediante una red propia de 48 V). El sistema de tracción total prioriza la propulsión trasera, especialmente con el ajuste 4WD Sport. También hay un programa para conducir sobre arena —4WD Sand—. Las llantas son de 21 (de serie), 22 o 23 pulgadas.
Los escapes tienen unas válvulas para modificar el sonido que producen según el modo de conducción seleccionado (también hay un pulsador independiente para activarlas). Adicionalmente, un sonido artificial acompaña al producido por el motor V8 en los modos Sport y Sport Plus o cuando el XM avanza solo con el trabajo de eléctrico. BMW lo llama IconicSounds Electric y resalta que se ha desarrollado junto al compositor Hans Zimmer (ganador de dos premios Óscar, por las bandas sonoras de Dune y el Rey León).