第四代宝马M3采用4.0升V8自然吸气发动机，代号为S65B40A。这款车的代号是E9X，其中E91是旅行车，E90是四门车，E92是双门硬顶车，E93是双门敞篷车。只有E90、E92、E93拥有M动力高性能车型。

发动机最大功率为309kW，最大扭矩为400 Nm。在发动机的3900转时，可输出最大扭矩；在8300转时，可输出最大功率。此外，发动机还搭载了宝马的双VANOS技术和Valvetronic技术。而与发动机匹配的是7速动力换挡的PowerShift变速器。由于PowerShift换挡速度快、传动速度高，所以非常适合性能车。

前悬架为双球节独立悬架，后悬架为多连杆式独立悬架。双球节悬挂是基于麦弗逊悬挂改进的。这种悬挂将麦弗逊悬挂的L型调节臂改为两个连杆，使悬架与喇叭之间有两个连接点。双关节悬架能提高转向精度，并能抑制车身侧倾。多连杆悬架则可以改善车轮的接地性能，从而提高车轮的抓地力。