El motor del nuevo BMW M3 es atmosférico y tiene inyección indirecta, ocho cilindros en uve a 90º, 4 l de cilindrada y alcanza 420 CV a 8.300 rpm y 400 Nm de par a 3.900 rpm. El régimen de giro máximo es 8.400 rpm (diagrama de potencia y par). Hay pocos motores atmosféricos cuya potencia específica sea mayor de 100 CV/l.

También el par motor es alto con relación a la cilindrada. Según BMW, el 85% de ese par está disponible en un margen de 6.500 rpm. Casi todos los motores V8 atmosféricos que hay en el mercado con esa cilindrada son menos potentes; normalmente los que son más potentes son sobrealimentados, tienen mayor cilindrada o ambas cosas.

El Audi RS4 tiene un V8 de 4,2 l con inyección directa que tiene 420 CV a 8.250 rpm y 430 Nm de par a 5.500 rpm. Audi dice que al menos el noventa por ciento de ese par está disponible entre 2.250 y 7.600 rpm. El Audi R8 también tiene un V8 de 4,2 l con inyección directa que alcanza 420 CV a 7.800 rpm y un par máximo de 430 Nm constante entre 4.500 y 6.000 rpm.

Es un bloque abierto (en esta imagen se aprecia el bloque de cilindros con el cigüeñal, el cárter superior y el inferior) de fundición de aluminio y silicio, con un tratamiento para endurecer las paredes de los cilindros (no tiene camisas). Es un motor de carrera corta (la carrera es 75,2 mm, el diámetro de los cilindros 92 mm) y la relación de compresión es 12,0:1. Tiene cuatro válvulas por cilindro. Las bielas son de una aleación de acero y magnesio y están abiertas por fractura; pesan 623 gramos cada una, incluyendo los cojinetes.

Hay dos cadenas dobles que conectan el cigüeñal con un árbol de levas de cada línea de cilindros; esos árboles mueven al otro de su bancada a través de un engranaje. También un engranaje desde el cigüeñal mueve una de las bombas de aceite, que a su vez mueve a la segunda con una cadena (imagen).

Hay dos correas, una para mover el alternador la bomba del agua (que no es eléctrica, como en otros motores de BMW), y otra para la bomba de la dirección asistida y el compresor del aire acondicionado (imagen). El motor de arranque está situado encima de la "V", detrás de los actuadores de las mariposas.

El motor pesa 202 kilos, que es poco para un motor V8. Según la forma de medir el peso de los motores de BMW, pesa 15 kg. menos que el motor de seis cilindros en línea de la anterior generación del BMW M3.

Como en otros motores de modelos BMW M, las mariposas son individuales para cada cilindro; hay dos motores que mueven los ejes que las unen en cada línea de cilindros (imagen).

BMW ha modificado el sistema de distribución variable doble VANOS para que funcione con la presión normal del aceite del motor, no con un circuito aparte con mayor presión.

El sistema de lubricación tiene dos cárteres, uno principal detrás (en el sentido de la marcha) y otro más pequeño delante. Además de la bomba principal de aceite, hay una bomba secundaria que trasiega el aceite desde el cárter pequeño al grande. Así, cuando se frena intensamente de forma prolongada el depósito principal sigue teniendo nivel suficiente y por tanto no se interrumpe el flujo de la bomba principal. Estas bombas están movidas por un engranaje conectado al cigüenal y unidas entre sí por una cadena (imagen).

Para detectar detonaciones y posibles fallos en la combustión, BMW utiliza un sistema que usa las bujías como sensores, además de para iniciar la combustión de la mezcla. Este sistema comprueba las condiciones de los gases en la cámara de combustión analizando a través de las bobinas de encendido (imagen) el flujo de iones que hay en las bujías. Este sistema lo utiliza también el motor V10 del BMW M6.

Los tramos iniciales de los colectores de escape se fabrican de acero inoxidable, con un sistema de conformación por aplicación de presión en el interior del tubo; así resultan unos tubos de pared muy fina (con un espesor de entre 0,65 y 1mm), con formas muy complejas y con menos soldaduras (imagen del sistema de escape completo).

El alternador (en condiciones normales) sólo genera energía eléctrica cuando el motor está en fase de retención. De esta forma, no se utiliza carburante para generarla. Si la carga de la batería baja de un nivel determinado o las condiciones son desfavorables, también se genera energía eléctrica en las fases de aceleración. BMW llama a este sistema "recuperación de la energía de frenado" y también lo utiliza en otros motores de gasolina y Diesel.