El motor del R8 5.2 FSI quattro es un V10 de 5.204 cm³ y 525 CV. Da la potencia máxima a 8.000 rpm y un par máximo de 530 Nm a 6.500 rpm. El régimen de giro máximo es 8.700 rpm, momento en el que los pistones recorren 26,9 m/s.

Es atmosférico y tiene inyección directa. El sistema de conducto común («common rail») inyecta el carburante en la cámara de combustión a través de las toberas ubicadas en el lateral de la culata a una presión de hasta 120 bar. La relación de compresión es de 12,5 a 1. La lubricación es por cárter seco.

Las dos bancadas de cinco cilindros forman 90º, en vez de los habituales 72º en un motor de diez cilindros. De esta manera, el motor es menos alto y el centro de gravedad queda más bajo. Las bancadas se encuentran desplazadas entre sí 18,5 mm. El diámetro es 84,5 mm y la carrera 92,8 mm.

Tiene distribución variable (mediante un variador de fase) que permite cambiar el momento de apertura y cierre de las válvulas de admisión y escape. Con el fin de mejorar la refrigeración, las válvulas de escape, que soportan una elevada carga térmica, tienen sodio en su interior.

Las dimensiones del motor son 646 mm de largo, 737 mm de ancho y 696 mm de alto.

Todo el motor pesa 258 kg, 31 kg más que el V8 del R8 4.2. El bloque y los pistones son de aluminio mientras que las bielas están hechas de acero forjado.

El Audi R8 5.2 FSI quattro acelera de 0 a 100 km/h en 3,9 segundos. La versión con cambio automático R tronic llega a 200 km/h desde parado en 8,1 segundos. La velocidad máxima con cambio manual o automático es 316 km/h.

Cambio «R tronic» y tracción quattro

El cambio automático «R tronic» de seis velocidades está formado por una caja convencional de pares de engranajes, pero con mecanismos automáticos para el embrague y la selección de las marchas. Se maneja desde la palanca situada entre los asientos delanteros o a través de las levas ubicadas tras el volante.

Tiene dos modos de funcionamiento completamente automáticos: uno normal y otro deportivo. Este último cambia de marchas a un régimen del motor más alto y hace que la reacción al movimiento del pedal del acelerador sea mayor.

El cambio «R tronic» tiene un circuito hidráulico de aceite. Una bomba proporciona una presión de entre 40 y 50 bar. El sistema hidráulico acciona el embrague y cambia las marchas.

Audi no utiliza en el R8 un sistema de tracción total permanente como el que tienen sus modelos de motor longitudinal delantero. En lugar de una tracción total con diferencial central, ha optado por un de fricción mediante un diferencial viscoso; es decir no hay unión mecánica entre las ruedas delanteras y traseras.

Normalmente envía un 85% del par al eje trasero, pero en caso necesario es capaz de enviar hasta un 30% al eje delantero.

En las ruedas posteriores hay un diferencial autoblocante; su efecto de bloqueo es de un 25% en tracción y de un 40% en retención.