BMW М3 образца 2001 года появляется во всём мире с новым двигателем S54B32. На момент появления машины, этот двигатель был самым производительным «атмосферником» когда-либо выпущенным БМВ. Он имел мощность в 343 л.с. и крутящий момент 365 Н*м. Первый выпуск новой М3 был окрашен в цвет Laguna Seca Blue. Машина поставлялась с новой коробкой передач SMG Drivelogic (SMG 2) и электрогидравлической ручной системой переключения в стиле Ф1 без педали сцепления и с «лепестками» для переключения под рулем. «Красная зона» начиналась на 8000 об/мин, впервые для БМВ. Двигатель производил более 100 л.с. на литр объёма (343 л.с./3.2 литра), машина разгонялась до 100 км/ч за 5.2 секунды, максимальная скорость составляла 250 км/ч (ограничена электроникой; без ограничителя — 304 км/ч). Было выпущено 2 специальные версии: M3 GTR V8 и M3 CSL. M3 GTR появилась на свет в 2001 году. Машина оснащена 4-х литровым V-образным 8-ми цилиндровым двигателем мощностью 450 л.с., и задним приводом. Основная причина в замене рядной шестёрки это невозможность бороться на равных с Porsche 996 GT3. M3 GTR V8 достигла больших высот в Американском Ле Мане, где на ней выступала команда Schnitzer Motorsport. В 2003 году появляется лимитированая серия M3 CSL. Основными отличиями этой машины стали: более мощный двигатель (360 л.с.), меньший вес (благодаря карбоновым капоту, крыше, облегченному салону и звукоизоляции). Также машина прошла ряд косметических изменений. Так, был изменён дизайн колёсных дисков, был увеличен задний спойлер и появился большой воздуховод в переднем бампере. В сумме удалось избавиться от 110 кг веса, что вкупе с перенастроенным шасси дало заметную прибавку в управляемости автомобиля.