宝马X5M搭载的仍是11年前在底盘代号为E70的X5M和E71的X6M中所搭载的S63B44 4.4L V8双涡轮增压发动机。不过，别看是11年前的“老古董”，那时候的宝马就为其搭载了双涡管技术以获得更为宽泛的最高扭矩输出区间，同时，配合Double VANOS（双可变气门正时）和Valvetronic（电子气门）技术，使得发动机拥有更为顺畅的动力输的同时，提升了燃效率。而在最新款X5M中，宝马将原本两个涡轮增压器增压值的1.3bar提升到了1.5Bar，有效地提升了动力表现。当然，在这样做会让发动机长时间处于高负荷运转状态，所以宝马将这款发动机的曲轴、活塞和连杆替换成为了强度更高的锻造式。另外，中置直喷的喷油策略也进行了改进，采用350Bar燃油喷射系统和CVO技术，使得在进行5次/毫秒燃油喷射时的雾化效果更好。此外，还在冷却系统、热管理、润滑系统等方面均进行了提升。
经过一系列的改进，如今的S63B44发动机最大功率达到441kW/6000rpm，最大扭矩达到750Nm/1800~5600rpm，动力通过8挡Tiptronic S变速器及四驱系统的传递，静止加速至100km/h仅需要3.9s即可完成，最高时速被电子限速控制在了250km/h。
不过，作为运动SUV“老炮儿”， X5M可不是单凭强劲动力来获取好看的直线加速成绩，为了能在动态性能上与诸多高性能车比肩，在标准配置中搭载了专业型M动态减振控制系统、Active M差速器、M Servotronic 可变转向比的转向系统以及M xDrive系统等科技配置，能够依据驾驶模式与行车路况，主动而持续地调整减振器的阻尼系数，并依据驾驶者的习惯提供Comfort、Sport、SportPlus三种默认模式，以适应不同的路况，从而大幅提高行车稳定性与乐趣。而标准配备的Active M差速器配合M xDrive全轮驱动系统可以让发动机强劲的扭矩输出通过四条轮胎稳定地作用到柏油路面上，无论是恶劣天气条件下还是复杂地形的路况中，都可以最大限度地保持充足的牵引力以及敏捷且稳定的操控性。