El motor es inicialmente el mismo que lleva el 530d (seis cilindros y 3,0 l de cilindrada), pero tiene dos turbocompresores en lugar de uno. Alcanza una potencia máxima de 272 CV, en lugar de 218 CV.
Según datos oficiales el 535d tiene la velocidad máxima limitada a 250 km/h, acelera de 0 a 100km/h en 6,5 s y tiene un consumo homologado de 8,0 l cada cien kilómetros (un 530d automático hace 243 km/h, 7,3 s y 7,8 l respectivamente).
Este motor alcanza la potencia máxima a 4.400 rpm. Su par máximo es 560 Nm y lo consigue a 2.000 rpm (el motor del 530d da 500 Nm). La principal diferencia es que el 535d tiene un sistema de doble turbo en serie, en lugar de en paralelo (como llevan otros motores de doble turbo). El sistema de BMW es de BorgWarner, semejante al que tenía el prototipo Opel Vectra OPC.
A bajo régimen el aire de admisión pasa por el turbocompresor de mayor tamaño y, sin comprimirse, pasa al pequeño, donde experimenta una fase de compresión. De este modo, a 1.500 rpm ya hay disponibles 530 Nm, cuando se acelera a fondo.
A medida que el motor sube de régimen, el aire que pasa por la turbina grande sufre una pequeña compresión, volviendo a comprimirse al pasar por el turbocompresor pequeño.
Cuando el motor llega a un cierto régimen más alto, se abre una válvula para que toda la compresión la haga el compresor grande (y el aire no pase por el pequeño). Con este sistema, se obtiene el beneficio de un turbocompresor pequeño (tiempo de respuesta muy bajo) y de uno grande (gran caudal y presión de aire).
Otras modificaciones de este motor (R6D) son los refuerzos que hay en el cárter del cigüeñal y la disminución de peso del árbol de levas (que pesa 1,2 kg menos, una disminución del 25%). La relación de compresión es ahora más baja: 16,5:1, en lugar de 17,0 a 1.
También varía el caudal de las toberas de inyección (más grandes) y el control electrónico del motor, que lleva a cabo una centralita más potente (Bosch DDE 6.0).
En el sistema de escape se ha aumentado el diámetro de los tubos y del silencioso. Tiene filtro de partículas y cumple la normativa Euro 4.