Todos los motores que llevará inicialmente el X3 están ya en la Serie 3, con las mismas especificaciones (el Diesel tiene 204 CV). Por lo visto en otros modelos de BMW, los tres son buenos en rendimiento, respuesta al acelerador y suavidad de funcionamiento.
El Diesel es mejor que los dos de gasolina en prestaciones y en consumo. Los dos de gasolina son más suaves y menos ruidosos.
Los motores de gasolina son de aluminio y tienen distribución variable continua en admisión y escape (doble VANOS). Además de para conseguir que una buen funcionamiento del motor en un margen amplio de revoluciones, BMW emplea este sistema para provocar una gran recirculación interna de gases de escape, cuando el motor funciona con poca carga. Esto es así hasta el punto de que se puede abrir mucho la mariposa cuando el motor circula con poca carga, la recirculación es tan grande que gran parte del gas que entra en la cámara es inerte.
El motor Diesel tiene el bloque de hierro; un 3.0d pesa 90 kg más que un 3.0i (no toda esa diferencia es atribuible al motor). Tiene alimentación por conducto común de segunda generación, turbocompresor variable, intercooler y 17,0 a 1 de relación de compresión.
Todos estos motores están unidos a una caja de cambios manual de seis velocidades. En todo caso, la sexta no es una marcha de desahogo del motor; ninguno llega en quinta a la velocidad máxima.
Si consideramos como velocidad máxima los 210 km/h a que están limitados por las ruedas de código H, los desarrollos son largos en las versiones de gasolina y adecuados para el Diesel. Si consideramos que la velocidad máxima es la que pueden alcanzar con los neumáticos de código V (218 km/h el 3.0d y 224 el 3.0i), el 3.0i tiene unos desarrollos adecuados y el 3.0d los tiene cortos.
Opcionalmente, hay disponible un caja automática de cinco velocidades, con mando secuencial en la palanca.
A igualdad de motor, hay una gran diferencia de prestaciones y consumo entre el X3 y el Serie 3 Touring con tracción total. El X3 pesa entre 145 y 165 kg más que un Serie 3 Touring con tracción total. La versión más pesada del X3 —el 3.0d con cambio automático— pesa 1.930 kg.