El motor es un seis cilindros en línea de 3,0 litros de cilindrada de inyección directa (la presión máxima es de 350 bar, que es mucho) que va sobrealimentado por dos turbocompresores. Este motor sirve como base para el BMW M4 GT3 de carreras de resistencia. La potencia máxima, 510 CV, la da a 6250 rpm, si bien la zona roja del cuentarrevoluciones empieza a 7200 rpm. El bloque es de tipo closed-deck, una estructura con la que se consigue mayor rigidez y permite que la presión de combustión sea muy elevada. Los cilindros tienen un tratamiento de hierro pulverizado con arco eléctrico, lo que reduce la fricción y el peso. El cigüeñal es forjado, más ligero y rígido que uno tradicional. La culata tiene alguna zona fabricada con impresión 3D, gracias a la cual se consiguen formas que no son posibles con la habitual técnica de fundición.

El sistema de sobrealimentación está compuesto por dos turbocompresores de entrada simple (hay uno para los cilindros 1,2 y 3 y el otro para los restantes). Su válvula de descarga es eléctrica. Como en otros motores de BMW, el del M3 Competition también tiene Valvetronic, que permite regular la cantidad de aire que participa en la combustión sin la presencia de la válvula de mariposa. La distribución es variable (Doble-Vanos; permite variar el momento de apertura de las válvulas). Como es habitual en los motores de inyección directa, el del M3 Competition también necesita un filtro de partículas para cumplir las normas de emisiones.

El sistema de refrigeración tiene dos circuitos: de baja y alta temperatura. El de baja temperatura sirve para enfriar, por ejemplo, el intercooler; tiene un radiador. El de alta, que refrigera el bloque y los turbocompresores; tiene tres radiadores (uno detrás de la parrilla, junto al de baja temperatura) y otros dos cerca de los pasos de rueda. Consta de dos bombas: una mecánica y otra eléctrica para mantener en funcionamiento el flujo de agua una vez que el motor se ha apagado.

El cambio de marchas tiene un convertidor de par y se bloquea una vez que el coche está en movimiento (así no hay resbalamiento). Puede seleccionar las marchas de forma automática o hacerlo el conductor manualmente mediante unas levas. En el primer caso, hay una función que ajusta la velocidad del motor a la de las ruedas (iguala las velocidades de los ejes de entrada y salida del cambio) para que no se produzcan tirones al reducir de marcha.

El elemento de unión entre las ruedas delanteras y traseras es un embrague multidisco controlado electrónicamente; entre las dos traseras hay un diferencial de discos (Diferencial M Activo). Esta es una de las mayores novedades del nuevo M3. El conductor puede elegir entre tres modos de funcionamiento de la tracción total: 4WD, 4WD Sport (con mayor transferencia de fuerza a las ruedas posteriores para mejorar la agilidad) y, si se quita el control de estabilidad, se puede activar el modo 2WD (tracción trasera). 

BMW ha reforzado la estructura del M3 para que tenga más resistencia a la torsión. Entre las torretas de la suspensión delanteras hay una barra que las une; el subchasis delantero (específico para el M3 Competition) es de aluminio y tiene un panel adicional para mejorar su rigidez. El subchasis trasero lleva una conexión rígida con la carrocería. En el piso de la carrocería y en la zona del maletero, BMW ha añadido piezas de refuerzo.

En el eje delantero hay componentes diseñados específicamente para el M3: rótulas distintas, manguetas forjadas y cojinetes reforzados. Algunos de los brazos de la suspensión son nuevos. La dirección tiene desmultiplicación variable de tipo mecánico (es decir, el efecto de la desmultiplicación se consigue con una cremallera cuyos dientes están más separados entre sí en el centro que en los extremos). De serie, hay amortiguadores cuya dureza está controlada (Suspensión adaptativa M) mediante válvulas electromagnéticas. 

Los frenos delanteros están compuestos por pinzas fijas de seis pistones y discos de 380 mm de diámetro; en el eje posterior hay pinzas flotantes con discos de 370 mm. Las pinzas están pintadas en azul y, opcionalmente, en negro o rojo. El equipo de serie se puede sustituir por unos discos cerámicos, de 400 mm de diámetro delante y 380 detrás. Este equipo lleva las pinzas pintadas en color dorado. Como cada vez es más habitual, el servofreno es eléctrico (es decir, la presión de freno la da un actuador eléctrico) lo que tiene varias ventajas, como una mayor integración de distintos dispositivos de asistencia a la conducción o que el tacto del pedal no se ve alterado cuando los frenos alcanzan una temperatura muy elevada. Otra función de este tipo de servofreno es que se puede elegir entre dos tipos de asistencia en el momento de frenar: Comfort y Sport (da una respuesta más inmediata).