El motor del nuevo E 320 es el mismo que utilizaba el anterior modelo. Tiene 6 cilindros en V a 90°, tres válvulas por cilindro y admisión variable. Desarrolla 224 CV a 5.600 rpm y un par de 315 Nm entre 3.000 y 4.800 rpm.

Comparado con otros motores similares, no destaca especialmente en potencia con relación a su cilindrada (70,0 CV/litro). El Alfa Romeo 166 3.0 V6 (220 CV), el Audi A6 3.0 (220 CV), el BMW 530i (231 CV) y el Jaguar S-Type 3.0 V6 (238 CV) tienen motores con una mayor potencia específica. Sin embargo, el motor Mercedes-Benz es el que tiene un par más elevado (los otros modelos nombrados desarrollan entre 265 y 300 Nm a un régimen más elevado).

Es un motor especialmente agradable y con una buena respuesta a cualquier régimen. Destaca por su suavidad de funcionamiento, reducida sonoridad y buena elasticidad, pero no es capaz de ofrecer una buena aceleración en el E 320. Como el valor de aceleración que anuncia Mercedes-Benz (0 a 100 km/h en 7,7 s) no se correspondía con lo que apreciaba subjetivamente, hemos realizado una aceleración desde parado con nuestro Correvit: el resultado han sido 9,5 segundos de 0 a 100 km/h y 30,7 s de 0 a 1.000 m.

A los 1.645 kg de peso hay que unirle también unos desarrollos de transmisión algo largos (más que en el anterior E 320).

Otro posibles competidores (excepto el Alfa 166 y el Jaguar S-Type) tienen una relación más favorable entre peso y potencia, y unos desarrollos más cortos.

Por el contrario, el excelente coeficiente aerodinámico del E 320 (Cx 0,26 frente a 0,30 y 0,32 de los otros modelos) le permite ser el más rápido en velocidad máxima. Mercedes-Benz anuncia 243 km/h y hemos medido 244 km/h reales (247 km/h en el velocímetro).

El anterior E 320 tenía un consumo medio de 10,3 litros/100 km, frente a los 9,9 l/100 km de consumo medio homologado del nuevo modelo. En conducción mixta por carretera y ciudad, a un ritmo tranquilo, ha gastado 11,9 litros/100 km (11,8 l/100 km indicado por el ordenador de viaje). En las mismas condiciones, pero a un ritmo ágil, ha consumido 14,1 l/100 km (14,0 l/100 km en ordenador de viaje), y en conducción a fondo por carreteras de montaña ha llegado a 21,9 l/100 km (22,3 l/100 km en ordenador de viaje).

El error del cuenta kilómetros es prácticamente despreciable y el velocímetro tiene un error constante por exceso de 3 km/h.