El motor 2.5 TFSI del TT RS tiene cinco cilindros en línea y sobrealimentación mediante un turbocompresor. Da 340 CV y un par de 450 Nm (entre 1.600 y 5.300 rpm), unas cifras muy superiores a las del TTS de 272 CV y 350 Nm.

La inyección es directa, con una presión de hasta 120 bar. Como en otros motores turboalimentados de inyección directa, la gasolina se inyecta dentro de la cámara en forma de remolino, favoreciendo su refrigeración. De esa manera se puede utilizar una relación de compresión alta (para lo normal en una motor turboalimentado), sin que se produzca detonación (al menos con la gasolina recomendada por Audi,de octano 98). Este motor tiene distribución variable mediante dos árboles de levas regulables en 42º accionados mediante cadenas. La relación de compresión es 10,0:1.

La presión máxima absoluto de sobrealimentación es de 2,2 bar. El intercooler está ventilado por el aire que entra a través de la parte inferior de la parrilla delantera. La entrada de aire colocada en el extremo izquierdo del paragolpes sirve de refrigeración para la caja de cambios. La del lado derecho para refrigerar un radiador adicional del motor.

El motor mide 494 mm de largo y pesa 183 kg. Los cilindros están separados 88 mm, tienen 82,5 mm de diámetro y las carrera es 92,8 mm, igual que el motor 2.0 TFSI. Sin embargo, el material con el que está fabricado el bloque es diferente (hierro fundido en el 2.5 TFSI y aluminio en el 2.0 TFSI. La culata es de aluminio en ambos casos mientras que el cárter del cigüeñal del motor 2.5 TFSI está fabricado de fundición de grafito vermicular, un material más ligero y resistente que la fundición gris. Este tipo de material también lo utiliza el Grupo Volkswagen en sus motores turbodiesel más potentes y, según Audi, es la primera vez que lo tiene un motor de gasolina.

En estos momentos es el único motor de cinco cilindros (el orden de encendido es 1-2-4-5-3) que comercializa Audi, aunque lleva utilizándolos desde hace décadas. Dos de los más avanzados para su época fueron el de 2,1 litros sobrealimentado que llevaba el Audi quattro de 1980, que daba 200 CV, y el del Audi Sport quattro de 1984, derivado directamente de la competición (306 CV).

En la salida del escape que va en el lado hay una válvula de mariposa. En condiciones normales está cerrada y todos los gases de escape salen por el terminal del lado derecho. Al acelerar a fondo o con carga motor elevada, la válvula se abre y produce un sonido diferente y de mayor intensidad.

Esta válvula también se puede accionar desde un pulsador que hay en la consola, cerca de la palanca del cambio.

El Audi TT RS lleva el sistema de tracción total que llevan otros Audi de motor transversal, sin diferencial central. Lo que une las ruedas del eje delantero a las trasera es un embrague multidisco de tipo Haldex que está colocado junto al diferencial trasero.

Los materiales con los que está fabricada la junta homocinética situada delante del árbol cardán y el diferencial del eje trasero son de mayor resistencia en el sistema TT RS que en otros modelos de Audi con tracción total.