El motor V8 que tiene el S 500 es completamente nuevo. Es un bloque en V a 90º con carrera corta (98,0 x 90,5) y 5.461 cm³. Pertenece a la misma familia de motores que el V6 del 350, porque comparte con él ciertos elementos, la distancia entre centros de cilindros o el diseño de la cámara de combustión.

Tiene cuatro válvulas por cilindro con dos árboles de levas movidos por una cadena doble y con variador de fase en admisión y escape. El sistema de distribución variable está hecho para que, en ciertas condiciones, las válvulas de escape de un cilindro no se abran en el mismo momento que las del cilindro que sigue en el orden de encendido. Cuando ocurre así, en los cilindros 1, 2, 6 y 8 se abren con un ángulo de cigüeñal de 180º, cuando enlos cilindros 3, 4, 5, y 7 se abren a 190º.

Con este procedimiento, lo que busca Mercedes-Benz es que la presión en los colectores tenga menos fluctuaciones y, debido a ello, también haya menos variación en el gas de escape reaspirado. Como la proporción de aire reaspirado es más uniforme, es posible ajustar más el avance del encendido sin que se produzca detonación. En consecuencia, el rendimiento del motor a bajo y medio régimen es mayor. Según Mercedes-Benz, sólo con este sistema, la presión media efectiva aumenta un seis por ciento (de 10,3 a 11 bar a 2.000 rpm). El valor máximo de presión media efectiva es 12,2 bar.

El colector de admisión varía la longitud del tramo que recorre el aire de admisión, según el régimen y la carga. Hay dos modos de funcionamiento posibles, por debajo de unas 3.500 rpm (si la carga es media o baja), las mariposas están cerradas y el recorrido que hace el aire de admisión es largo. Por encima de ese régimen, se abren para que el aire haga un recorrido más corto.

En el colector de admisión hay pequeños alerones móviles que varían la turbulencia según el régimen y la carga. Cuando es necesaria una turbulencia mayor, esos alerones están subidos y provocan un movimiento del aire de tipo «tumble». Esta forma de hacer entrar al aire en el motor tiene dos efectos: hace al motor más suave y proporciona un ahorro de combustible de hasta 0,2 l/100 km.

Da 388 CV de potencia máxima a un régimen relativamente alto: 6.500 rpm. El par máximo es 530 Nm y lo mantiene constante entre 2.800 y 4.800, un margen grande para un motor atmosférico.

El consumo específico mínimo de este motor es 233 g/kWh, un valor bueno para un motor de gasolina atmosférico. En carga parcial, a un régimen de 2.000 rpm y con una presión media de 2 bar, el consumo específico es 345 g/kWh.

Los dos motores de seis cilindros, el gasolina del S 350 y el Diesel del S 320 CDI, son básicamente los mismos que ya estaban en otros modelos de la gama Mercedes-Benz (información técnica sobre el seis cilindros de gasolina y sobre el seis cilindros Diesel).

El del S 350 tiene las mismas características que en otros modelos como, por ejemplo, el CLS 350. El que llevará el S 320 CDI, en cambio, tiene más potencia y par motor que en otros modelos que llevan este motor. En el S 350 da 235 CV de potencia máxima (en lugar de 224) y 540 Nm de par máximo (en lugar de 510 Nm).

El motor del S 600 es una versión distinta del V 12 biturbo que tenía, por ejemplo, el CL 600 (prueba de este modelo). La potencia máxima aumenta de 500 a 517 CV, y el par máximo de 800 a 830 Nm.