El Audi S6 TDI quattro tiene un motor Diesel que da una potencia máxima de 349 CV a 3850 rpm y un par máximo de 700 Nm entre 2500 y 3100 rpm. Este motor se fabrica en la planta que Audi tiene en Györ (Hungría) y es el más potente de la familia EA897 evo2. Está presente en otros modelos como el S7 Sportback TDI y el A6 allroad quattro 55 TDI. También en el S4, S5 y SQ5, aunque con 347 CV de potencia máxima y el mismo par.

Tiene seis cilindros repartidos en dos bloques de tres cilindros que convergen en el cigüeñal con un ángulo de 90 grados. Cada cilindro tiene un diámetro de 83,0 milímetros y una carrera de 91,4 mm. Esto resulta en un volumen por cilindro de 494,5 cm³ (volumen = π×radio²×carrera) y en una cilindrada total de 2967 cm³ (494,5 cm³ × 6 cilindros). Es lo que, en pocas palabras, se denomina un motor 3.0 V6 a 90º.

Los bloques de los cilindros son de fundición de hierro y tanto los pistones como la culata son de aluminio (aunque la aleación de aluminio no es idéntica y está adaptada a las diferentes condiciones de calor y presión que debe soportar cada componente). El sistema de refrigeración consta de dos circuito independientes —uno para el bloque y otro para la culata— con el fin de que la temperatura óptima de funcionamiento se alcance lo más rápido posible.

El sistema de inyección directa es por conducto común (common-rail). Este puede generar una presión máxima de 2500 bares y realizar hasta siete inyecciones por cilindro y ciclo. La presión en el interior del cilindro cuando se produce la detonación es de hasta 250 bares (la relación de compresión del motor es 15,5:1).

El sistema de sobrealimentación lo componen un turbocompresor de álabes de posición variable (también conocido como de geometría variable o VTG, de «Variable Geometry Turbocharger) y un compresor eléctrico (o EPC, de  «Electric Powered Compressor»). El trabajo conjunto de ambos entre 2500 y 3100 rpm es el que ayuda al motor a generar su par máximo de 700 Nm.

El turbocompresor tiene capacidad para generar una presión en el colector de admisión de hasta 2,4 bares (absoluta) y para mover hasta 1100 kilogramos de aire por hora.

El compresor eléctrico lo suministra la compañía Valeo y está ubicado entre el intercooler y el colector de admisión (imagen). Una válvula de mariposa controlada electrónicamente se encarga desviar el flujo de aire hacia el compresor (imagen), o bien, directamente hacia el motor sin pasar por el compresor (imagen).

El compresor no está unido a ninguna parte móvil del motor de combustión, sino que es un motor eléctrico el que acciona su turbina de 68 mm de diámetro. Este motor eléctrico se alimenta de la red de 48 voltios del vehículo (imagen) y puede hacer que la turbina gire a 70 000 rpm en menos de 250 milisegundos. El compresor comprime el aire a una presión de hasta 2,4 bares.

Como en otras versiones de la gama Audi A6, el S6 TDI tiene una máquina eléctrica que funciona como alternador (puede recuperar hasta 8 kW) y como motor de arranque, si bien el motor de arranque convencional de ataque por piñón se mantiene para los arranques en frío. Se alimenta de la energía acumulada en una batería de iones de litio de 480 Wh (10 Ah) situada bajo el piso del maletero. Aunque Audi se refiere a este sistema como «Mild Hybrid», lo cierto es que su funcionamiento no tiene nada que ver con el de un sistema híbrido convencional, ya que esa máquina eléctrica no tiene capacidad para mover el coche por sí mismo.

Dicha máquina sí permite, en cambio, que el coche pueda circular con el motor apagado cuando las condiciones de circulación son las adecuadas (funciona entre 55 y 160 km/h durante un máximo de 40 segundos y según Audi puede hacer que el consumo disminuya hasta en 0,4 l/100 km). También permite que el sistema de apagado y encendido automático del motor (o Start&Stop) pueda actuar a velocidades más altas (en este S6 TDI puede apagar el motor cuando se circula por debajo de 22 km/h).

De serie, los discos de freno son de fundición gris y miden 400 milímetros de diámetro en el eje delantero y 350 mm en el trasero. En opción, se puede pedir un sistema de frenos con unos discos de material carbocerámico y unas pinzas delanteras fijas, con el que se ahorra 9 kilogramos de peso. Los neumáticos de serie son de medidas 255/40 y van montados sobre llantas de 20 pulgadas de diámetro, pero también se pueden pedir unos en medidas 255/35 con llantas de 21 pulgadas.