4.4升V8雙渦輪增壓引擎搭配可調整換檔邏輯的八速M Steptronic手自排變速箱、M xDrive全輪驅動系統，以及主動式M限滑差速器，讓X5 M / X6 M從靜止加速至100 km/h，僅需3.9秒即可達成。而0-200 km/h的所需時間則分別為13.7秒和13.5秒。Competition車型則僅需3.8秒可完成0-100 km/h加速，0-200 km/h的所需時間則分別為13.4秒和13.2秒。所有車型250 km/h被限制的最高時速，均可透過選配M Driver's Package提升至290 km/h。

來自F90 M5相同的4.4升V8雙渦輪增壓引擎，具備Sleeve-free無套筒式鍛造曲軸、Closed-deck封閉式水道，其兩具增壓器位在左右汽缸夾角之間位置，可提高渦輪增壓系統的反應能力和效率。得易於350 bar最大壓力高精度缸內噴射技術，確保了燃油的超精細霧化效率。而這具引擎冷卻設計，除了傳統機械式水泵為引擎與增壓器提供運轉時的冷區之外，還另外追加了電動水泵，可允許在引擎熄火之後，讓渦輪增壓器冷卻再持續運轉一段時間。而其他冷卻機件還有至於前保桿進氣口的引擎與變速箱專用的油冷器。

使得X5 M / X6 M在1,800~5,600 rpm之間能夠保持750 Nm的最大扭力，並可輸出600hp / 6,000rpm最大馬力，而引擎最高轉速可達相當高的7,200 rpm。Competition車型的最大扭力維持不變，但再往後延伸了200 rpm，因而最大馬力提升至625hp / 6,000rpm。為了提供極具張力的聲浪效果，X5 M / X6 M配有大容量消音器以及100毫米管徑的尾管，透過中央鞍座M Sound Control按鍵切換閥門，立即可顯現攪拌駕馭情緒的亢奮聲浪。而此項聲浪可變功能特別列為Competition車型的標準配備。

而為應付賽道高側向G值的加速需求，X5 M / X6 M的油底殼前方特別設計了一個較小的空間，當有需要時Map-controlled機油泵可在此提取額外的機油提供潤滑，來應付極高的橫向和縱向加速度的動態潤滑需求。M xDrive四輪驅動系統同樣與X3 M / X4 M沒有提供2WD純後驅模式，而只有4WD以及後驅偏置4WD Sport兩款，但搭配主動式M限滑差速器，除了有高度的靈活性之外，其橫向力的線性累積特性，也可在毫不費力地操控的同時讓受控漂移的動態成為可能。

M系操作介面除了M1 / M2自訂義模式雙快捷鍵以及專屬可進行換檔邏輯設定的排檔頭之外，全數位駕駛儀錶還採用了M系最新的專屬設計，可有兩種模式切換，而非像X3 M / X4 M的單一模式。

至於底盤的強化，除了可在幾毫秒內對單一車輪阻尼進行阻尼連續調整的M電子懸吊系統，以及機電式主動防傾桿之外，前軸鍛造雙A臂部分採用了雙壁式扭矩臂(Twin-wall Torque Arm)以及強化軸承，並且前輪調整成較高的外傾角值，藉以可增強轉向反應，並在轉彎時優化橫向控制。而車身抗扭轉剛度的提升，藉由全新設計連接前端與彈簧支柱塔的對角支柱，以及多件塔到艙壁的支架來加以強化之。

而後軸副車架和連桿軸承也都表現出非常高的剛度，並且同樣有較一般X5、X6更大的外傾角設定，車身後部的剛度提升，也特別在排氣管上方加裝了專屬的推力臂與變速箱通道車體部位進行連結。