Los Audi S5 Coupé TDI y S5 Sportback TDI tienen un motor de 347 CV de potencia y un chasis ajustado para que sus reacciones sean más precisas y deportivas. Reemplazan, al menos de momento, a los S5 Coupé y S5 Sportback que Audi lanzó al mercado a mediados de 2016 y que dejó de ofrecer en septiembre de 2018. Frente a estos últimos, la diferencia más importante se halla en el motor, pues ahora es Diesel en lugar de gasolina.
El motor, y en general todos los elementos mecánicos, también son practicamente los mismos que Audi emplea en el S7 Sportback TDI. Es uno de seis cilindros en uve y 3,0 litros de cilindrada con un sistema de sobrealimentación peculiar y más complejo de lo normal: tiene un turbocompresor convencional y además, un compresor movido mediante un motor eléctrico.

Este último elemento, el compresor eléctrico, se alimenta de una red eléctrica de 48 V y tiene una velocidad máxima de giro de 65 000 rpm (en el S7 Sportback TDI llega hasta las 70 000). Según Audi, tiene como objetivo mejorar la respuesta del motor cuando éste gira a muy pocas revoluciones y el turbocompresor convencional no tiene capacidad para generar sobrepresión efectiva. Además, también reduce el tiempo de respuesta del motor, lo que habitualmente se conoce como turbo-lag.

Los S5 Coupé TDI y S5 Sportback TDI tienen una máquina eléctrica que funciona como motor de arranque (aunque el convencional de ataque por piñón sigue estando presente y funciona para los arranques en frío) y como alternador. Se alimenta de la energía almacenada en una batería de iones de litio con 0,5 kW de capacidad situada bajo el piso del maletero. Aunque Audi denomina a este sistema como «Mild Hybrid», no hay que confundirlo con uno híbrido tradicional porque no tiene capacidad para mover el vehículo por sí mismo empleando únicamente energía eléctrica. Sí permite, en cambio, circular en algunas circunstancias con el motor apagado y aprovechando la inercia (funciona entre 55 y 160 km/h durante un máximo de 40 segundos). El sistema start/stop también es más avanzado de lo normal, pues es capaz de apagar el motor cuando el vehículo aún circula a 22 km/h (o menos, claro).

La potencia del sistema es 347 CV (dos CV menos que el S7 Sportback TDI) y el par máximo, 700 Nm que se mantienen constantes entre 2500 y 3100 rpm (en este apartado no hay diferencias frente al S7 Sportback TDI, ficha técnica comparativa). El S5 Coupé TDI puede acelerar de 0 a 100 km/h en 4,8 segundos (4,9 en la variante Sportback) y alcanzar 250 km/h, velocidad que está limitada electronicamente. Un BMW 440i xDrive Coupé, que tiene un motor de gasolina de potencia similar, tiene unas prestaciones practicamente idénticas, mientras que un Mercedes-AMG C43 4MATIC Coupé, con un motor de gasolina claramente más potente, apenas es un poco más rápido acelerando desde parado (ficha comparativa).

El sistema de tracción total funciona mediante un diferencial autoblocante que se encarga de distribuir el par entre los dos ejes. El reparto inicial es 40:60 (eje delantero / eje trasero), aunque puede llegar a enviar hasta un 70 % al eje anterior y hasta un 85 % al posterior. De serie, también tienen un control vectorial de par que frena las ruedas internas al giro para que el paso por curva sea más rápido y preciso. Adicionalmente y de manera opcional, se puede pedir un diferencial trasero deportivo que se encarga de distribuir la fuerza que llega a cada una de las ruedas traseras de manera individual.

La suspensión tiene los mismos esquemas que el resto de la gama A5 Coupé y A5 Sportback (multibrazo en ambos ejes), aunque tanto muelles como amortiguadores tienen un ajuste diferente, más firme. Opcionalmente se puede optar por una con amortiguadores controlados electronicamente con varios niveles de ajuste. La dirección de serie, que es más directa que la de otras versiones de la gama, también se puede sustituir por otra denominada «Dinámica», cuya desmultiplicación es variable.

De serie, llevan unas llantas de 18 pulgadas con neumáticos de medidas 245/40, aunque opcionalmente se pueden pedir unas de 19 pulgadas (con neumáticos 255/35) o unas de 20 (con neumáticos 265/30). El sistema de frenos tiene unos discos delanteros de 375 mm de diámetro mordidos por unas pinzas fijas de seis pistones.

Además de por los cambios mecánicos, los S5 Coupé TDI y S5 Sportback TDI se distinguen del resto de versiones de sus respectivas gamas porque tienen un aspecto ligeramente distinto. Son diferentes los parachoques, la parrilla delantera y el difusor trasero, que integra cuatro salidas de escape agrupadas dos a dos (imagen). Además, las cubiertas de los retrovisores exteriores están pintadas en gris y hay un pequeño alerón sobre la tapa del maletero de ambos modelos. Para la carrocería hay nueve colores distintos.

En el habitáculo los cambios son muy sutiles: el techo y los montantes están tapizados en color negro, la tapicería es exclusiva, los pedales están fabricados en acero inoxidable y las molduras decorativas están acabadas en aluminio cepillado. Los asientos de serie son los que Audi denomina «deportivos», aunque se puden pedir otros con los reposacabezas integrados, más ajustes y función de masaje («sport plus»; imagen)

El sistema multimedia de serie incluye una pantalla de 8,3 pulgadas y es compatible con los sistemas Android Auto de Google y CarPlay de Apple. La instrumentación, como en otros modelos de la gama A5, está compuesta por una pantalla de 12,3 pulgadas que, para estas versiones, incluye un nuevo modo de visualización de la información con el cuentarrevoluciones en posición central.

Los sistemas de seguridad y ayuda a la conducción son los mismos que pueden tener otras versiones del A5 y que se engloban dentro de tres paquetes: Parking, City y Tour. Son, entre otros, un programador de velocidad activo con asistente en atascos o un asistente anti colisión capaz de actuar sobre la dirección.