El motor del BMW M5, cuyo código interno es S63, tiene 8 cilindros colocados en V, 4395 cm³ de cilindrada y dos turbocompresores de doble entrada (también conocidos como «twin-scroll»). Es el mismo bloque del anterior BMW M5 (información técnica del BMW M5 2012), pero con numerosos cambios para mejorar su rendimiento. Entre otros, hay un nuevo sistema de inyección capaz de generar más presión (un máximo de 350 bares en vez de 200), un nuevo sistema de sobrealimentación, unos sistemas de lubricación y refrigeración más eficientes y una línea de escape más ligera y que según BMW logra «realzar aún más el sonido M». La potencia máxima es 600 CV entre 5600 y 6700 rpm y el par motor máximo es 750 Nm entre 1800 y 5600 rpm (40 CV y 70 Nm más que antes; ficha técnica comparativa).

La caja de cambios es automática de ocho relaciones y de tipo convertidor de par (el anterior M5 tenía una de siete relaciones y doble embrague). Tiene tres programas de funcionamiento automáticos y tres manuales (cambia la velocidad y brusquedad con la que hace los pasos de marcha). Para seleccionar manualmente las marchas hay unas levas tras el volante (imagen) y en este modo la caja no pasa a una marcha superior de forma automática. No tiene función de avance por inercia (en el resto de BMW Serie 5 sí hay esta función), pero sí Launch Control.

El peso del BMW M5 es 1930 kg, por lo que es más ligero que el Audi RS 6 Avant y el Mercedes-AMG E 63 S 4MATIC+ (ficha comparativa). El techo del M5 es de polímero reforzado con fibra de carbono (CFRP).

Puede acelerar de 0 a 100 km/h en 3,4 segundos y de 0 a 200 km/h en 11,1 s. Del M5 anterior hubo dos variantes con 600 CV. Se llamaban «30 Aniversario» y «Competition Edition». Ambas tardaban 3,9 segundos en acelerar de 0 a 100 km/h. BMW afirma que el incremento de prestaciones de este nuevo M5 se debe más a la influencia del sistema de tracción total y de la caja de cambios, que a las modificaciones hechas en el motor. El consumo medio homologado ha empeorado, ya que ha pasado de 9,9 l/100 km en el M5 2012 a 10,5 l/100 km. La velocidad máxima está limitada a 250 km/h, pero si se instala el paquete M Driver (cuesta 3130 euros) puede limitarse a 305 km/h.

El sistema de tracción del M5, al que BMW llama «M xDrive», está compuesto por un embrague central de discos controlado electrónicamente que distribuye la potencia de forma variable entre los dos ejes de ruedas y un diferencial activo que permite distribuir la fuerza del motor entre las dos ruedas posteriores (puede llegar a pasar el 100 % de la fuerza a una de las dos ruedas). El conductor puede elegir entre tres modos de funcionamiento del sistema de tracción: T4R, T4R Sport y T2R (a estos modos se les conoce en otros países como 4WD, 4WD Sport y 2WD respectivamente).

T4R es el modo que se activa por defecto al arrancar y en el que el sistema hace una distribución variable y continua del par motor entre ambos ejes de ruedas, aunque siempre dando mayor preferencia al posterior. Para seleccionar T4R Sport es necesario colocar el control de estabilidad en modo MDM (M Dynamic Mode), el cual permite un mayor deslizamiento de las ruedas antes de intervenir. Con T4R Sport la distribución de par se vuelve aún más preponderante hacia el eje trasero. La selección del modo T2R implica la desactivación del control de estabilidad. En este modo el embrague central está totalmente abierto y toda la tracción va a parar exclusivamente a las ruedas posteriores. Con el modo T2R, BMW dice que «se logra la misma emocionante experiencia ya ofrecida por las anteriores generaciones del BMW M5».

El paso de tracción total a trasera y viceversa se puede hacer en cualquier momento, no es necesario estar parado, y tantas veces como se desee. En el Mercedes-AMG E 63 S 4MATIC+ también se puede elegir entre tracción total y trasera, no así en el Audi RS 6 Avant, que siempre es tracción total.

Las medidas de los neumáticos delanteros son 275/40 y la de los del trasero son 285/40. Las llantas son de 19 pulgadas, las delanteras de 9,5 pulgadas de anchura y las traseras de 10,5. Opcionalmente hay llantas de 20 pulgadas, con neumáticos delanteros de 275/35 y traseros de 285/35. En todos los casos, los neumáticos están preparados para rodar a 305 km/h.