Porsche ha desarrollado para el Cayenne un nuevo motor V8 a 90° fabricado enteramente en aluminio. Tiene una cilindrada de 4.511 cm³, distribución variable continua (VarioCam) con un margen de desplazamiento del árbol de levas de 25° y cuatro válvulas por cilindro. Lleva cárter seco y conductos de lubricación específicamente preparados para soportar las exigentes inclinaciones a las que puede ser sometida la carrocería en conducción todo terreno. De este motor V8 hay dos variantes: una atmosférica para el Cayenne S y otra sobrealimentada para el Cayenne Turbo.

La variante atmosférica que lleva el Cayenne S da 340 CV a 6.000 rpm de potencia máxima y 420 Nm de par máximo entre 2.500 y 5.500 rpm. Si lo comparamos con los motores de seis cilindros atmosféricos de Porsche, no es mucha potencia específica. Este V8 da 75,4 CV/litro, cuando el bóxer de seis cilindros da 81 CV/l en el motor de 2,7 litros (Boxster), 78,7 CV/l en el 3,2 l (Boxster S) y 88,9 CV/l en el 3,6 l (911 Carrera). Tiene aproximadamente la misma potencia específica que el V8 del BMW X5 4.6is y mucha más que el V8 del Mercedes ML 55 AMG o el V8 del Range Rover.

La variante con dos turbocompresores y doble intercooler que lleva el Cayenne Turbo desarrolla 450 CV de potencia a 6.000 rpm y 620 Nm de par máximo entre 2.250 y 4.750 rpm. Respecto a la variante atmosférica, en este motor se han adaptado las válvulas de admisión en relación al mayor volumen de aire que se mueve, lleva árboles de levas específicos, pistones de aluminio forjado (de fundición de aluminio en el atmosférico) y culatas en una aleación de aluminio más resistente a las altas temperaturas. Los turbocompresores dan una presión máxima de sobrealimentación de 1,6 bares.

El Cayenne Turbo es el todo terreno más potente del mercado (el Dodge Ram con el motor V10 del Viper también daba esa potencia, pero Dodge ya no lo fabrica). El par y la potencia de ese motor V8 son inferiores, con relación a la cilindrada, a lo que da el motor del Porsche 911 Turbo (420 CV y 560 Nm a 2.700 rpm).

La relación entre peso y potencia del Cayenne Turbo es 5,4 kg/CV, aproximadamente la misma que tiene un Porsche Boxster S. La velocidad máxima, que no está autolimitada, es 266 km/h. Porsche declara una aceleración de 0 a 100 km/h de 5,6 s; muy rápido parece para un coche con esta relación entre peso y potencia.

El Cayenne S alcanza una velocidad máxima de 242 km/h y se anuncia una aceleración de 0 a 100 en 7,2 segundos. En ambas versiones, el consumo medio no es particularmente bajo: 14,7 y 15,7 litros/100 km respectivamente el S y el Turbo.