在E46 M3的動力設計上，最顯著的特色是導入了半乾式油底槽的設計，這意指著E46 M3可比一般款三系列，甚至是E36 M3更適應更高側向G值的過彎動態。並且將上一代鎖定率25%扭力感應機械式LSD，改換成精準度更高的電子式LSD，具有0~100%鎖定率自動變換的功能。因此E46 M3變得更容易駕馭，對於駕駛技術所需的門檻也明顯地將低了許多。

引擎結構上雖然仍與上一代大致相同，具有更高的壓縮比、Double VANOS可變氣門正時以及六喉直噴…等的高性能設計，但卻在軟體上有者大幅度的升級，引擎控制單元ECU首度使用雙核心32位元CPU，因而能更精準的控制供油及點火時間，總總性能化的設定讓第三代M3的活塞往復運行，能高達20m/s以上的驚人速度，具有與當時F1賽車引擎相同等級的活塞速度。而動力表現具有343hp最大馬力，以及0~100km/h加速進步至5.2秒的實力。

同為FR驅動方式的性能跑車，但E46 M3的實際的操控感受，卻與E36 M3有著非常明顯的差別。E46 M3使用了許多鋁合金輕量化的設計，但其實並沒有使車重大幅降低，而是使用在改變過彎動態的設計上。從車頭開始，引擎蓋就採用了鋁合金製作而成，比傳統鋼材大幅度輕了40%，因而使得車頭配重比例大幅降低，而使得前後配重比前代更趨近於50：50，並減少車頂的重量將整體重心降低。而底盤部分則是首次使用前後輕量化鋁合金下支臂，來大幅提升過彎時的穩定性及靈活度，並搭載了DSC動態穩定系統。因此在當時廣為各國汽車媒體評為入門超跑前的最佳首選。

在2001年時，BMW為了符合美國的利曼賽事(ALMS)規定，參賽車輛須有一年的完整銷售才能參加的規定，而推出限量10部道路版M3 GTR的夢幻極品，其採用4.0升V8引擎，具有493hp的最大馬力。但此車款僅有曇花一現，當2002年ALMS改為須生產100部、以及新的車重及馬力限制的賽事新規定，BMW經評估後決定放棄參加，因而使得此10部M3 GTR的價值，難以確切的數字來加以估算。

到了2003年時，BMW更推出了輕量化限量版E46 M3 CSL，最後一個字母「L」指的是Lightweight，所以藉由大量碳纖維材質的運用，以及更輕薄的排氣系統，有著比一般款M3輕110公斤的優勢。其中最著名的就是碳纖維的車頂，而這項設計一直延用至往後各代的M3、M4甚至是M6。而引擎的設計有著更大容積的碳纖維集氣箱，並在集氣箱前方追加了類節氣門超大蝴蝶閥的裝置，但並非隨著油門踩踏來進行等比例開啟，而是隨駕駛的油門深淺及踩踏速度，在三四千轉之後，進行全開的作動來大幅度提升進氣流量，因而使得E46 M3 CSL具有360hp最大馬力、0~100km/h 4.9秒以及紐柏林賽道單圈7分50的性能實力。並且讓CSL有著比一般款M3更特別鏗鏘有力的高昂聲浪。

M3 CSL的內裝特色在於碳纖維內門板、中控台飾板，以及麂皮面全桶碳纖維賽車椅，雖擁有全然競技化的包覆性，但卻仍具有符合道路使用的實用性，因此實際坐起來的椅墊柔軟度非常優異，極適合用來長途駕駛。

而M3 CSL底盤的輕量化設計，不僅止於一昧的減輕重量，而是朝著更為競技化的方向來重新製作，雖有與一般M3一樣的造型，但本質結構上，可說是是不同的車款，從最小的細節就可以了解，像是重新修正鋁合金後懸吊連桿的造型，使其更輕量化之外，更能夠擁有更靈活的反應。而大工程方面，則是將全數車底板以六角型蜂巢狀高強度的結構製作而成。因此實際的行駛路感、剛性以及過彎極限，與一般款M3有著天壤之別的差異性。

此外，針對CSL的第二代SMG變速系統，更是大幅升級至0.08秒的換檔速度，並且追加第二套較晚介入的DSC模式-M Track模式。在此模式下，可在維持一定穩定度的前提之下，讓車主無須太專業的駕駛技術，即能輕鬆享受滑胎飄移的樂趣。而在DSC On的模式下，藉由高剛性輕量化的優異特性，讓M3 CSL開起來的感覺就如同軌道車般的輕鬆自如，顛覆當時傳統四米五中型轎跑車所能展現的靈活性。至於DSC Off當然就是「100%白煙番長」奔放的甩尾模式囉！