El motor del R8 V12 TDI tiene 500 CV de potencia y 1.000 Nm de par máximo entre 1.750 y 3.000 rpm.

Actualmente Audi no tiene en su gama de vehículos ningún motor Diesel de doce cilindros. Dentro del Grupo Volkswagen, el vehículo Diesel con mayor número de cilindros es el Touareg V10 TDI, de 5,0 l de cilindrada y 313 CV de potencia.

El motor del R8 V12 TDI es de 6,0 de cilindrada y sus bancadas forman un ángulo de 60º, que es la disposición que más conviene a un motor V12 desde el punto de vista del equilibrado.  Este tipo de disposición también conviene a los motores de seis cilindros, pero en los motores V6 Diesel de Audi  (y en los V8), el ángulo que forman las bancadas es 90º.

Lo que sí mantiene el motor Diesel del R8 TDI, respecto a la familia de motores V6 y V8 Diesel de Audi, es una distancia de 90 mm entre el centro de los cilindros. El diámetro y la carrera son 83 y 91,4 mm respectivamente; es decir, igual que en el motor V6 TDI que tiene Audi en diversos modelos. La relación de compresión es 16,0:1. Según Audi este motor es 166 mm más largo que el actual V8 Diesel de 4,2 l.

El el bloque está fabricado una fundición de hierro con grafito vermicular (llamada GJV-450) por su estructura (Audi ya ha aplicado esta técnica en motores Diesel V6 y V8). Este tipo de fundición tiene una relación más favorable entre peso (15% menos) y resistencia (40% más rígido y un 100% más duradero) que la fundición gris.

Los balancines son de rodillos. La distribución es por cadena y también están movidos por cadenas la bomba de aceite y las bombas de combustible. El sistema de inyección es por conducto común y puede proporcionar hasta 2.000 bar de presión

La culata es de aluminio y tiene cuatro válvulas por cilindro que son accionadas por balancines de rodillos. Los inyectores son piezoeléctricos, con ocho toberas. Los dos turbocompresores están colocados en la parte externa del motor y son de tipo varible. La presión máxima absoluta de sobrealimentación es 2,6 bar.

Un aspecto interesante de este motor es que está en disposición de cumplir la normativa de emisiones Euro6, que entrará en vigor en 2014. Para cumplir esta normativa es necesario eliminar en gran parte las emisiones de óxido de nitrógeno. Para ello, Audi utiliza una tecnología que denomina «Clean Diesel».

Este sistema consiste en que, además de disponer de un catalizador de oxidación y un filtro de partículas, hay otro catalizador de reducción («catalizador DeNOx»). Antes de este catalizador se inyecta una solución acusosa de urea (denominada comercialmente «AdBlue»), que mezclada con el gas de escape desintegra los óxidos de nitrógeno en nitrógeno y agua.