L’auto è caratterizzata da elementi distintivi come le marcate estensioni dei passaruota, le minigonne laterali, il design massiccio del paraurti anteriore e i dettagli che circondano il montante C, incluso il logo "M5" inciso. Tutti questi elementi conferiscono alla vettura un look sportivo che la differenzia nettamente da una comune berlina Serie 5 a gasolio. L'ampio uso di superfici verniciate nello stesso colore della carrozzeria ne esalta l'aspetto da berlina elegante anche se sotto il cofano scalpitano oltre 700 cavalli. La sportiva cinque porte made in Germany riesce così a far convivere sotto un solo tetto eleganza e sportività, in pieno stile “M”. L'impianto di scarico sportivo è dotato di flap a regolazione elettrica e continua e di due coppie di doppi terminali di scarico, firma di tanti modelli M, ciascuno con finiture da 100 millimetri in Black Chrome.

Il sistema di propulsione M HYBRID della nuova Bmw M5 è composto da un motore V8 da 4,4 litri che fa coppia con un motore elettrico integrato nel cambio M Steptronic a otto rapporti. Il motore a combustione beneficia della tecnologia all'avanguardia M TwinPower Turbo, di un collettore di scarico a bancate incrociate e di una separazione dell'olio ottimizzata. Sviluppa una potenza massima di 430 kW/585 CV e una coppia di 750 Nm. La potenza massima del motore elettrico è invece di 145 kW/197 CV mentre la potenza massima di sistema è di 727 cavalli con l’incredibile coppia di 1.000 Nm. Questa combinazione di motore a combustione e motore elettrico è frutto dell’esperienza nel Motorsport con la BMW M Hybrid V8, l’auto impegnata nel mondiale Endurance. La capacità del motore elettrico di generare istantaneamente la sua potenza e l'interazione controllata in modo intelligente del motore a combustione garantiscono che il sistema M HYBRID risponda senza ritardi a ogni movimento dell'acceleratore. Il motore a otto cilindri può girare fino a un massimo di 7.200 giri/min, la velocità massima è limitata a 250 km/h, ma il limite può essere innalzato fino a 305 km/h grazie all'M Driver's Package opzionale. Ad accompagnare acusticamente l'erogazione del motore elettrico c'è il BMW IconicSounds Electric: un suono di trazione specifico per quando si viaggia in modalità 100% elettrica. La nuova M5 può raggiungere una velocità di 140 km/h in questa modalità grazie alla batteria alloggiata nel pianale dell'auto che dispone di 18,6 kWh di energia utilizzabile. L'autonomia in elettrico è di 67-69 chilometri mentre è possibile ricaricare la batteria in corrente alternata fino a 7,4 kW.

I 727 cavalli generati dal motore a combustione e dal motore elettrico vengono scaricati a terra tramite il sistema di trazione integrale M xDrive. Per i conducenti più audaci è anche possibile selezionare la modalità 2WD: in questa configurazione la trazione viene inviata esclusivamente alle ruote posteriori con il sistema DSC disattivato. Anche il differenziale attivo M a controllo elettronico sull'asse posteriore, è adattato in modo specifico alle caratteristiche prestazionali del sistema di trazione M Hybrid e alla Serie 5.

Il telaio della nuova Bmw M5 comprende un assale anteriore a doppio braccio e un assale posteriore a cinque bracci con cinematica ed elastocinematica su misura. Lo sterzo a cremagliera assistito elettricamente con M Servotronic e rapporto di sterzata variabile è collegato rigidamente al sottotelaio dell'asse anteriore per garantire un feedback ottimale dalla strada e un'elevata precisione direzionale. Le carreggiate larghe e la generosa rigidità torsionale della carrozzeria e dei supporti del telaio, garantiscono tanta agilità, precisione e accumulo lineare delle forze laterali quando il guidatore spinge per davvero. Di serie troviamo anche le sospensioni adattive M con ammortizzatori a controllo elettronico e l'Integral Active Steering, che sterza le ruote posteriori fino a 1,5 gradi. I freni M Compound di serie e i freni ceramici M Carbon opzionali, si combinano con un sistema di frenata integrato che offre al guidatore due impostazioni del pedale. I cerchi in lega leggera M, 20 pollici sull'asse anteriore, 21 pollici al posteriore, sono di serie e sono montati su pneumatici ad alte prestazioni.

Il pannello di controllo sulla console centrale della nuova BMW M5 ospita una composizione di pulsanti specifici che possono essere utilizzati per adattare l'esperienza di guida alle preferenze di chi siede dietro il volante. Il pulsante Setup permette di accedere direttamente alla configurazione del sistema di trazione, del Drivelogic, del telaio, dello sterzo, dell'impianto frenante e dell'M xDrive, nonché all'intensità del recupero dell'energia frenante. Premendo il pulsante DSC si attiva la modalità M Dynamic, che innalza le soglie di intervento del DSC quando si tratta di azionare i freni e ridurre la potenza del motore. Anche la modalità di funzionamento del sistema M HYBRID può essere regolata a piacere. Il nuovo pulsante M Hybrid consente al guidatore di scegliere tra la modalità “Ibrido” e l'impostazione “Elettrico”, in cui il motore a combustione entra in gioco solo con il kickdown dell'acceleratore o utilizzando i paddle del cambio. La modalità e-CONTROL viene utilizzata per un efficace recupero dell'energia dei freni e per mantenere la carica della batteria a un livello costante.

Oltre al pannello di controllo specifico M sulla console centrale, l'abitacolo sportivo progressivo della nuova BMW M5 contiene anche un volante in pelle M a fondo piatto di nuova concezione con pulsanti M illuminati, sedili multifunzione M con un'ampia gamma di regolazioni elettriche e il Bmw Curved Display che, come l'Head-Up Display BMW di serie, include contenuti specifici M. Il Bmw Live Cockpit Professional di serie offre anche il sistema di navigazione BMW Maps e la funzione Augmented View sul display di controllo. Fanno parte dell’ambiente interno anche i rivestimenti in pelle Merino di serie, la Bmw Interaction Bar, il climatizzatore a quattro zone, i sedili anteriori riscaldati, l'illuminazione d'ambiente con luci interne specifiche M, compresa la Welcome Animation, e il tetto apribile panoramico in vetro. La dotazione di serie della nuova M5 comprende anche l'impianto audio surround Bowers & Wilkins, la vaschetta di ricarica wireless, il Comfort Access, il sistema di allarme, l'azionamento automatico del portellone posteriore e il cavo di ricarica Professional. Tra gli optional figurano il pacchetto esterno M Carbon, l'headliner in Alcantara, il riscaldamento del volante, la ventilazione attiva dei sedili e il gancio di traino. A partire dal lancio della M5 saranno offerti anche ricambi Bmw M Performance specifici per il modello: tra cui cerchi in lega leggera forgiati dal disegno specifico e componenti esterni realizzati in plastica rinforzata con fibra di carbonio.