La gama tiene seis motores de gasolina distintos (de cuatro, seis y ocho cilindros) y, por primera vez, una versión turbodiésel (270 CDI).

Con cuatro cilindros hay disponibles dos variantes: 200 Kompressor (163 CV) y 200 CGI (170 CV). En ambos casos es el mismo motor de aluminio con 1.796 cm³ de cilindrada, cuatro válvulas por cilindro, distribución variable, un compresor Eaton con intercooler y dos árboles de equilibrado Lanchester que permite reducir las vibraciones. Sin embargo hay una importante diferencia: mientras en el 200 K la inyección de gasolina se realiza de forma tradicional en el colector de admisión, en el 200 CGI se realiza directamente en la cámara de combustión (inyección directa).

No es el mismo motor que el del anterior CLK 200 Kompressor. Ha cambiado el diámetro y carrera de los cilindros (antes 89,9 x 78,7 y ahora 82 x 85 mm) y, por lo tanto, la cilindrada (antes 1.998 cm³ y ahora 1.796 cm³). También tiene una nueva bancada (cárter superior) realizada en aluminio (antes en fundición) y los ingenieros han perfeccionado el compresor volumétrico reduciendo la holgura entre los rotores y la carcasa, lo que ha permitido obtener un mayor caudal de aire, un rendimiento más elevado y mejorar la curva de par a bajo régimen. Con todos estos cambios, el motor es 18 kg más ligero (167 kg en total).

En el caso del CLK 200 K, se mantiene la misma potencia (163 CV) y se ha incrementado el valor de par hasta 240 Nm a 3.500 rpm (antes 230 Nm a 2.500 rpm), pero sobre todo, se ha mejorado el consumo medio (antes 9,4 y ahora 8,6 l/100 km).

El CLK 200 CGI con el motor de inyección directa desarrolla 170 CV de potencia máxima, un par de 250 Nm a 3.500 rpm y tiene un consumo medio homologado de tan sólo 7,9 litros/100 km, con unas prestaciones similares a las del 200 K: 231 km/h y 9,1 s para acelerar de 0 a 100 km/h. No es el primer motor de gasolina con inyección directa utilizado por Mercedes-Benz en un coche de serie: el primero lo utilizó en 1954 en el deportivo 300 SL (alas de gaviota), si bien en aquel momento su prioridad fue aumentar la potencia de su motor seis cilindros y en la actualidad ha sido reducir el consumo y el nivel de emisiones contaminantes. Mas información del motor CGI.

Los dos motores de seis cilindros en V a 90° que se ofrecen en los CLK tienen culatas con tres válvulas por cilindro. El menos potente (CLK 240) tiene 2,6 litros de cilindrada, 170 CV de potencia y 240 Nm de par a 4.500 rpm. Este motor no estaba en el anterior CLK, sin embargo el nuevo Clase E tiene una evolución que desarrolla 177 CV de potencia. Hace una velocidad punta de 236 km/h y tiene un consumo medio de 10,8 l/100 km.

El otro motor V6 es el 3,2 litros de cilindrada con 218 CV de potencia máxima y 310 Nm de par que lleva el CLK 320; ya estaba en el anterior modelo y es la única que se mantiene idéntica. La velocidad máxima declarada para este modelo es 244 km/h (antes 240 km/h), con un consumo medio de 10,4 l/100 km (antes 10,1 l/100 km/h) y una aceleración de 0 a 100 km/h en 7,9 s (antes 7,4 s). El leve empeoramiento en aceleración y consumo se debe principalmente al mayor peso del nuevo modelo (pesa 110 kg más que el anterior CLK 320).

También hay dos motores de ocho cilindros en V a 90° y tres válvulas por cilindro: uno en el nuevo CLK 500, con cinco litros de cilindrada y 306 CV de potencia (que sustituye al anterior CLK 430 de 279 CV); el otro en el CLK 55 AMG, que ahora tiene 367 CV de potencia en lugar de los 347 CV que tenía el modelo anterior. Las prestaciones de ambos coches son ejemplares, con una velocidad máxima autolimitada a 250 km/h y una aceleración de 0 a 100 km/h de 6,0 y 5,2 segundos respectivamente. Más información sobre el Mercedes-Benz CLK 55 AMG.

Por primera vez en la gama CLK, se comercializa una versión Diesel (CLK 270 CDI). Tiene el motor turbodiésel de cinco cilindros en línea y 2,7 litros de cilindrada, con inyección directa, conducto común, culata de cuatro válvulas por cilindro, turbocompresor de geometría variable e intercooler. Desarrolla 170 CV de potencia (el nuevo Clase E tiene una evolución del este motor que da 177 CV de potencia) y un par máximo de 400 Nm entre 1.800 y 2.600 rpm. Las prestaciones de este modelo se igualan a las del CLK 240 con el motor V6 (acelera de 0 a 100 km/h en 9,2 s), pero con un consumo medio mucho más bajo (6,7 l/100 km).

El CLK 200 CGI no se venderá en España hasta finales del 2002, mientras que la versión turbodiesel, 270 CDI, se empezará a comercializar a primeros de 2003.