Z4에 장착된 직렬 6기통 엔진은 전세계적으로 최고의 엔진으로 평가받고 있다. 이를 토대로 2.5i 모델은 6,000rpm에서 최대출력 192마력, 3.0i는 5,900rpm에서 최대출력 231마력의 성능을 자랑한다. 시속 0km에서 100km까지 가속하는 시간은 2.5i의 경우 7.5초, 3.0i는 6.2초에 불과하며 최고 속력은 각각 235km/h, 250km/h에 달한다.

BMW의 첨단 엔진 기술 중의 하나인 더블-VANOS(가변식 밸브 타이밍 기구) 시스템을 통해 흡배기 과정에 있어 손실을 최소화하고 실린더 내의 에너지를 극대화시킴으로써 토크의 힘은 물론이고 연료 소모율까지 향상시켰다.


옵션으로 채용되는 DDC(Driving Dynamic Control)를 통해 중앙 콘솔에 위치한 ‘스포츠’ 버튼을 누르면 강력한 파워의 엔진 상태를 지속적으로 유지시킬 수 있으며 이를 통해 더욱 다이나믹한 주행이 가능하다.

Z4에서 처음 선보이는 일렉트릭 파워 스티어링(Electric Power Steering)은 유동적인 스티어링 및 도로상황에 따른 민첩한 제동력을 제공한다. 또한 스티어링 휠이 흔들림없이 회전 후에도 부드럽게 중심이 잡혀져 유압을 이용하는 기존 핸들보다 400km당 1리터의 연료를 절약하는 효과도 가져온다.

Z4 2.5i와 3.0i의 5단 및 6단 수동 기어는 운전자가 스포티한 주행을 원할 때 민첩한 기어 변속이 가능하게 한다. 특히 6단 수동 기어는 최고 기어에서의 엔진 속도를 낮춰 소음 및 연료 소비 감소의 효과를 가져온다. 단, 국내에 출시되는 Z4는 2.5i와 3.0i 모두 5단 스텝트로닉 (Steptronic, 자동 변속기)이 장착되어 있다.

6단 수동 트랜스미션에 옵션으로 제공될 예정인 시퀀셜 수동기어박스(Sequential Mechanical Gearbox, SMG)는 시프트 바이 와이어(shift-by-wire) 방식으로 다이나믹한 기어 변속뿐만 아니라 안정적인 주행을 돕는다. 운전자는 SMG 시스템을 통해 드라이브 모드에서 클러치 패들을 밟지 않고 손을 스티어링 휠에 둔 상태에서도 기어전환장치나 핸들에 부착된 두개의 패들로 순식간에 기어를 변속할 수 있다.