La nuova M4 CS è spinta dal 6 cilindri in linea da 3,0 litri abbinato a due turbocompressori capace di erogare 550 CV di potenza, ovvero 20 CV in più rispetto la M4 Competition M xDrive, con una coppia 650 Nm a partire da soli 2.750 giri/min fino a 5.950 giri/min. L’incremento di potenza è stato possibile grazie ad aumento della pressione dei turbo e ad alcune modifiche apportate al propulsore: l’albero motore è più leggero ed efficiente grazie ad una riduzione degli attriti. La coppia viene scaricata a terra attraverso il cambio M Steptronic ad otto rapporti con Drivelogic è dotato di tre impostazioni. La più più sportiva di queste è stata pensata specificamente per l'uso estremo in pista rendendo la M4 cs un auto a trazione posteriore. Il sistema di trazione integrale xDrive sfrutta invece il differenziale attivo M, capace di ripartire la coppia su entrambi gli assi oppure privilegiare quello posteriore a seconda delle diverse situazioni di guida, dalla più confortevole a quella più adrenalinitica. L'erogazione di potenza del motore viene accompagnata dalla colonna sonora generata dal sistema di scarico a doppio ramo, dotato di flap a comando elettrico, silenziatore posteriore in titanio con design a peso ridotto e con due coppie di terminali di scarico verniciati in nero opaco. La presenza acustica del motore si adatta all'impostazione del propulsore selezionata tramite il menu M Setup. Nelle modalità SPORT e SPORT+, la nota del motore acquista un'inconfondibile sonorità da vera auto da corsa.

BMW dichiara un tempo da 0 a 100 km/h di soli 3,4 secondi mentre per passare da 0 a 200 km/h, la M4 CS impiega ferma il cronometro dopo 11,1 secondi. Grazie al pacchetto M Driver invece viene garantita una velocità massima di 300 km/h. La tecnologia del telaio della nuova BMW M4 CS è stata messa a punto in base alle caratteristiche prestazionali del motore, al concept complessivo del veicolo e alla sua distribuzione del peso. La cinematica dell'asse regolata individualmente e le impostazioni personalizzate di campanatura delle ruote, ammortizzatori, molle ausiliarie e barre antirollio servono a ottimizzare la precisione dello sterzo, la trasmissione delle forze di controllo laterale in curva, la risposta delle molle e degli ammortizzatori e la posizione delle ruote. Anche gli ammortizzatori a controllo elettronico delle sospensioni adattive M della nuova BMW M4 CS sono disponibili in una configurazione specifica, così come lo sterzo elettromeccanico M Servotronic a rapporto variabile e l'impianto frenante integrato. Anche le impostazioni del sistema DSC e dell'M Dynamic Mode sono state appositamente studiate per rispondere alle esigenze specifiche della guida dinamica su circuito. La modalità M Dynamic offre invece al guidatore un ulteriore margine di manovra per esplorare i limiti dinamici della vettura, spostando in avanti i punti di intervento delle varie misure di stabilizzazione del sistema DSC senza disattivarlo completamente.

L'uso di componenti in fibra di carbonio (CFRP) è stato di fondamentale importanza per ridurre il peso complessivo dell’auto. Il tetto in fibra di carbonio ne è un esempio lampante: il suo peso ridotto avvicina il baricentro dell'auto alla strada, migliorando così l'agilità e la dinamica in curva. Anche il cofano, lo splitter anteriore, le prese d'aria anteriori, le calotte degli specchietti retrovisori esterni, il diffusore posteriore e lo spoiler posteriore in stile Gurney sono realizzati con questo materiale leggero. L'adesione al principio della leggerezza è evidente anche negli interni. Infatti, per ridurre il peso in abitacolo, la console centrale, le palette del volante e gli elementi di rivestimento interno sono tutti realizzati in CFRP. Il modello in edizione speciale è inoltre dotato di serie di sedili a secchiello M Carbon, la cui costruzione a peso ridotto è evidenziata dall'uso del CFRP negli elementi strutturali del cuscino del sedile e dello schienale, oltre che nei vistosi intagli nei rinforzi laterali e sotto i poggiatesta. Inoltre, il sistema di scarico della nuova BMW M4 CS è più leggero di oltre quattro chilogrammi, grazie all'utilizzo di un silenziatore posteriore in titanio. Nel complesso, il peso della vettura è di circa 20 chilogrammi inferiore rispetto alla BMW M4 Competition Coupé con M xDrive.