El motor del S4 es el del nuevo A8, pero con una ligera diferencia de cilindrada (4.163 cm³ en lugar de 4.172). Eldiámetro es el mismo (84,5 mm) pero la carrera es ligeramente más corta (92,8 en lugar de 93,0 mm). Mide 464 mm de largo y pesa 195 kg, poco para ser un ocho cilindros.
Por lo demás, el motor es el mismo, con un colector de admisión de doble longitud y distribución variable en los árboles de levas de admisión.
La potencia específica de este motor (82,6 CV/l) es alta para tratarse de un atmosférico. Hay motores de giro más rápido que la tienen mayor, pero no muchos de ellos tienen una cilindrada tan grande y ocho cilindros (o más); los que sí reúnen esas características son motores de coches deportivos, como el Ferrari 575M o el Lamborghini Murciélago. Se puede decir, por tanto, que el motor del S4 es «deportivo» en cierta medida (aunque, con ese criterio, no tanto como el del S8). El régimen máximo del motor es 7.200 rpm.
El par máximo del S4 (410 Nm a 3.500 rpm) es menor que el del S6 o el A8 4.2; es decir, pierde algo de fuerza a medio régimen para ganarla a régimen alto. Con todo, la presión media del motor que tiene el A8 es mayor que la del S4, tanto a régimen de par máximo como a régimen de potencia máxima. Es decir el motor del S4 tiene menos fuerza, pero la mantiene en un margen de régimen más amplio. Según la curva de potenciaque ha dado Audi, se trata de un motor muy elástico. Es muy infrecuente que el régimen del par máximo de un motor sea la mitad que el de potencia máxima, normalmente están más cerca entre sí.
Es un tracción total permanente con diferencial central Torsen, como el de otros Audi de motor longitudinal. Normalmente, la relación de par que utiliza Audi es 3 a 1.
La caja de cambios manual de seis velocidades tiene desarrollos hechos para que la velocidad máxima se alcance con la relación más larga, pero a menos del régimen de potencia máxima (250 km/h a unas 6.400 rpm). Con el desarrollo que tiene en sexta, alcanzaría teóricamente 273 km/h.
Un Porsche 911, con el mismo Cx que el S4 y 24 CV menos, alcanza 285 km/h. La superficie frontal del S4 será mayor que la del Porsche, pero difícilmente la diferencia puede ser tan grande como para que la punta que podría alcanzar el S4 no llegue a esos 273 km/h.
En la segunda mitad de 2003 habrá una versión automática de seis velocidades.