Las tres versiones del Mercedes-Benz CL tienen motores diferentes: un V8, V8 Kompressor y V12 biturbo.
El CL 500 tiene el mismo motor V8 de 5,0 litros y culatas de tres válvulas por cilindro que utilizaba anteriormente. Desarrolla una potencia de 306 CV a 5.600 rpm y un par máximo de 460 Nm entre 2.700 y 4.250 rpm. Las prestaciones son similares (250 km/h de velocidad y 0 a 100 km/h en 6,5 segundos), pero el consumo medio homologado es más bajo (ahora 11,9 l/100 km y antes 13,4 l/100 km). Curva de par y potencia del motor V8.
El CL 600 lleva ahora un motor de doce cilindros en V con 5,5 litros de cilindrada, dos turbocompresores y doble intercooler (aire/agua), el mismo que también lleva el S 600. Otras características de este motor son similares a las del anterior V12 atmosférico que utilizaba (5,8 litros y 367 CV) y a otros motores de gasolina de Mercedes-Benz, como doble encendido y culata de tres válvulas por cilindro. Su presión máxima absoluta de admisión es 2 bares, con lo que este motor llega a 500 CV de potencia máxima y a 800 Nm de par máximo entre 1.800 y 3.500 rpm. Con este motor, las prestaciones del cupé CL son semejantes a las del Clase S; acelera de 0 a 100 en 4,8 s y sigue con la velocidad limitada a 250 km/h. El consumo medio es 14,7 l/100 km y cumple la norma de emisiones Euro 4. Curva de par y potencia del motor V12.
Dicho motor V12 está fabricado enteramente en aleaciones ligeras (bloque y culata en aluminio y tapas de la culata en magnesio) y tiene un peso de tan sólo 263 kg. Para soportar su elevado par y potencia se ha modificado el cambio automático (el grupo planetario delantero se ha ensanchado 2 mm y 5 mm el central y trasero), y se ha reforzado el árbol de transmisión y el diferencial trasero.
En el nuevo CL 55 AMG, Mercedes-Benz reemplaza el anterior V8 atmosférico de 5,4 litros de cilindrada y 360 CV de potencia máxima por un motor semejante al que tiene el SL 55 AMG. Dicho motor es el mismo V8 de 5,4 litros pero sobrealimentado con un compresor Lysholm.
La potencia pasa de 476 CV en el SL 55 a 500 CV en el CL 55; el par máximo se mantiene en 700 Nm, pero a 2.750 rpm, 100 más que en el SL. Este incremento de potencia se debe a la configuración distinta del escape, pues el resto de los elementos no han variado.
Con 500 CV de potencia en ambos modelos, las prestaciones declaradas son idénticas en el CL 55 AMG y en el CL 600 (velocidad limitada a 250 km/h y aceleración de 0 a 100 km/h en 4,8 s), a pesar de que la versión AMG pesa 80 kg menos. Resulta extraño que una marca ofrezca dos modelos iguales con la misma potencia (en este caso 500 CV). Sin embargo, en Mercedes-Benz afirman que la entrega de potencia del motor V8 Kompressor del CL 55 AMG tiene un «tacto más deportivo» que el motor V12 con doble turbo del CL 600.