El Z4 está disponible con dos motores de gasolina de seis cilindros en línea. Uno tiene 2,5 litros de cilindrada y desarrolla 192 CV de potencia y 245 Nm de par máximo a 3.500 rpm (BMW llama a esta versión Z4 2.5i). Este motor se utiliza también en la actual Serie 3 (había una versión del Z3 para algunos mercados con esa cilindrada y 187 CV). BMW anuncia en el Z4 2.5i una velocidad máxima de 235 km/h, que acelera de 0 a 100 km/h en 7,0 s y un consumo medio homologado de 8,9 litros/100 km.

El otro motor (para el Z4 3.0i) tiene 3,0 litros y 231 CV de potencia máxima; es el mismo que tenía el Z3 3.0i y que también se utiliza en los BMW 330i, 530i y X5 3.0i. Este motor destaca especialmente por su respuesta desde bajo régimen y desarrolla un par máximo de 300 Nm a 3.500 rpm. El Z4 3.0i alcanza una velocidad de 250 km/h (10 km/h más que el Z3 con el mismo motor) y acelera de 0 a 100 km/h en 5,9 s (6,0 s el Z3 3.0i). Uno de los principales factores que le permite alcanzar una velocidad superior es su menor resistencia aerodinámica (el Z4 tiene un Cx 0,35 frente al Cx 0,42 del Z3). En cualquier caso sigue sin ser tan aerodinámico como un Porsche Boxster (Cx 0,31). También ha mejorado el consumo medio homologado (9,1 litros/100 km frente a 9,5 l/100 km en el Z3 3.0i). Esta mejora de consumo se debe, por una parte a su mejor aerodinámica, y por otra al empleo de la dirección con asistencia eléctrica (en BMW estiman que dicho sistema reduce el consumo en torno a 0,25 l/100 km).

Ambos motores cumplen la norma anticontaminante Euro 4, están fabricados en aluminio (bloque y culata), tienen cuatro válvulas por cilindro, bobinas de encendido individuales, mariposa de admisión electrónica y el eficaz sistema dedistribución variable continua (Doble VANOS). En los Z4 han experimentado una ligera mejora en la curva de entrega de par y potencia gracias al desarrollo del escape específico de estos modelos.

Tanto el 2.5i como el 3.0i tienen de serie una caja de cambios manual, Getrag de cinco marchas el primero y ZF de seis velocidades el más potente. Esta última se puede montar opcionalmente también en el Z4 2.5i. En BMW dicen que la sexta velocidad «reduce las revoluciones y el conductor se beneficia de un menor nivel de ruidos y de una reducción del consumo de combustible de hasta un cuatro por ciento». El Z4 3.0i no llega a la zona roja del cuentavueltas en la marcha más larga, como ocurre con otros BMW de gasolina o Diesel. La velocidad máxima se alcanza en sexta (44,5 km/h a 1.000 rpm), aunque por debajo del régimen de potencia máxima (a 5.620 rpm). En quinta marcha también se puede llegar a la velocidad máxima, aunque en la zona roja del cuentavueltas (6.610 rpm). La sensación que da al volante del Z4 3.0i es que la sexta es un poco larga, aunque el motor es capaz de tirar de su desarrollo sin gran dificultad.

Por el contrario, el cambio manual del 2.5i tiene unos desarrollos cortos (35,8 km/h a 1.000 rpm en 5ª) y alcanza la velocidad máxima 560 rpm por encima del régimen de potencia máxima (6.000 rpm) y ligeramente metido en la zona roja del cuenta revoluciones.

Opcionalmente, los Z4 pueden tener dos tipos de caja de cambios automática conmando secuencial. Una («Steptronic») es una caja automática tradicional de cinco marchas con convertidor de par y el accionamiento secuencial está en la palanca, no en el volante (clasificación de las cajas de cambio).

La otra («SMG») tiene la estructura de una caja manual y automatismos para elembrague, la selección y el engranamiento de marcha. Tiene seis velocidades y el accionamiento secuencial está en la palanca de cambios y en unas levas del volante. No hace falta levantar el pie del acelerador para subir de marcha y, en el mejor de los casos, puede cambiar en sólo 0,15 segundos. Al reducir realiza automáticamente la maniobra del punta-tacón y da un golpe de gas para suavizar la reducción.