La historia del Bugatti 16.4 Veyron que se empezará a vender en 2003 comenzó en realidad en el Salón de Francfort de 1999 (septiembre de 1999). Sólo un año después de que Volkswagen comprara Bugatti, el fabricante alemán realizó un espectacular súperdeportivo que, como prototipo, fue uno de los protagonistas de la muestra alemana. Aquel modelo era el Bugatti 18·3 Chiron y su nombre rememoraba a uno de los más exitosos pilotos de Bugatti durante los Grandes Premios de los años 20 y 30, Louis Chiron.

El 18·3 Chiron había sido diseñado por Giugiaro en Ital Desing, tenía el chasis fabricado en fibra de carbono, tracción a las cuatro ruedas y un inédito motor atmosférico de 18 cilindros en W a 60°, con 72 válvulas, inyección directa, 6.255 cm³, 555 CV de potencia a 6.000 rpm y 650 Nm de par a 4.000 rpm. A pesar de semejantes cifras, era un motor muy compacto y tenía un peso de 315 kilogramos.

Sólo unos meses después, en el Salón de Tokyo (diciembre de 1999), el expositor de Bugatti volvía a ser el punto de atención con el Bugatti 18·4 Veyron. El nuevo prototipo suponía una evolución del 18·3 Chiron y era diseñado por el Centro de Diseño de Volkswagen, dirigido por Harmut Warkuss. El 18·4 Veyron tomaba el nombre de Pierre Veyron, el piloto francés que se proclamó vencedor de las 24 Horas de Le Mans en 1939 al volante de un Bugatti 57. Este modelo tenía el mismo motor W18 de 555 CV que llevaba el 18·3 Chiron.

La siguiente evolución fue presentada en el Salón de Paris (septiembre de 2000). El nuevo prototipo se llamaba Bugatti 16.4 Veyron, recibía pequeños retoques de diseño y un nuevo motor W16 con 8.006 cm³, una relación de compresión alta (10,75:1), 630 CV a 6.000 rpm y 760 Nm a 4.000 rpm.

Tenía 16 cilindros distribuidos en cuatro filas de 4: dos bloques de ocho cilindros en «V estrecha». Era de aluminio y medía 643 mm de largo. El ángulo entre los dos bloques VR8 era de 72º y la anchura del bloque de 690 mm. Tenía cuatro válvulas por cilindro e inyección directa. La lubricación era por cárter seco y la capacidad de aceite es 15 litros. Llevaba cuatro árboles de levas en cabeza accionados por cadena y distribución variable, que permite disponer del 85% del valor máximo del par desde 1.500 rpm.

En marzo de 2001, durante el Salón de Ginebra, Bugatti presentaba otra nueva evolución del 16.4 Veyron y anunciaba su intención de comenzar a venderlo a partir de 2003 con un nuevo motor W16 que, a diferencia de sus predecesores atmosféricos, contaba con cuatro turbocompresores, una cilindrada de 7.993 cm³ y nada menos que 1.001 CV de potencia y 1.250 Nm de par.

Durante el Salón de Francfort de 2001 (13 al 23 de febrero), la última evolución de lo que parece va a ser el 16.4 Veyron definitivo, ha recibido cambios en el diseño de la carrocería, que afectan principalmente a la aerodinámica y varían ligeramente sus dimensiones (con mayor longitud, anchura y batalla). Su motor W16 también tiene pequeños retoques en la configuración de las tapas de culata y la orientación de los cuatro turbocompresores, aunque no han modificado sus valores de potencia y par. Bugatti ha anunciado, por primera vez, las prestaciones de su nuevo súperdeportivo, que con una velocidad máxima de 406 km/h, es el coche de calle más rápido de la historia.

En el interior sigue predominando el cuero, y la consola central está realizada con unas piezas de aluminio que recuerdan al salpicadero de los antiguos Bugatti de competición. Al igual que en el primer 18·3 Chiron, el motor se arranca mediante un botón situado en la consola central, junto a la palanca de cambios, aunque ahora el cambio se puede realizar a través de unos mandos situados tras el volante y que accionan su caja de cambios de siete marchas.