El motor es básicamente el mismo V12 con bloque y culata de aluminio que lleva el Diablo. La cilindrada aumenta porque tiene más carrera, ahora llega hasta 6.192 cm³. Es más potente que cualquiera de los motores que tenía el Diablo en su última generación, que llegaban como mucho a 575 CV a 7.300 rpm en el caso del GT. El del Murciélago da 580 CV a 7.500 de potencia máxima y 650 Nm a 5.400 rpm de par máximo. La cifra de par máximo es alta para un motor atmosférico; con relación a la cilindrada, es un poco menor que la de un M3 pero un poco mayor que la de un 911 3,6 litros.

Hay otras diferencias con el motor del Diablo en admisión, distribución y lubricación. Tiene un colector de admisión variable en tres etapas, mediante un sistema de dos mariposas. También tienedistribución variable para los árboles de levas de admisión y escape. La lubricación es por cárter seco; al no necesitar un cárter voluminoso que contenga todo el aceite, Lamborghini ha bajado 50 mm el motor (en el Diablo está muy alto).

El control electrónico de este motor es mucho más avanzado que el del Diablo. Dos centralitas (de 32 bit con procesador a 20 MHz cada una) controlan, además de las funciones normales de inyección y encendido (que es directo); variación de admisión y distribución; sistema de refrigeración variable; alerón trasero; control de tracción; acelerador eléctrónico; y un sistema de control de sonido.

La caja de cambios es ahora manual de seis velocidades, en lugar de cinco. La construcción de esta caja es completamente distinta a la anterior (lubricación forzada, ejes con tres cojinetes y sincronizadores de doble o triple cono). El Murciélago es un tracción trasera en el que las ruedas delanteras pueden ser motrices mediante un diferencial viscoso. Hay un control de tracción que reduce la potencia del motor si hay perdida de tracción; primero actúa sobre las mariposas, luego sobre el encendido y finalmente puede llegar a cortar la inyección.