首次搭載於E46 M3的S54B32心臟再度成為性能迷的目光焦點，也是當代十分具代表性的自然進氣引擎。
S54B32使用了六喉直噴與雙凸輪軸設定，並在進、排氣門部分，都導入了VANOS可變氣門正時系統，以對應全速域需求；缸徑與衝程部分，分別是87mm與91mm，總排氣量3246cc，M-power部門對這顆引擎用盡了好料，對每一個細節都非常地在意；為了針對高轉速的順暢，再進排氣做了CNC拋光，增加活塞強度加以輕量化。
S54B32的壓縮比，也從S50B32時代的11.3：1提升到11.5：1，並將紅線區拉高到8000rpm，並得以釋放出343hp/7900rpm、37.24kgm/4900rpm的動力，高轉速取向相當明顯，搭配六速手排或SMG系統，讓E46 M3可以在5.1秒內完成0~100km/h加速(敞篷車型5.6秒)，至於極速則以電腦控制在250km/h；然而依照各改裝店家估算與實際測試，這套動力系統在經過解除點火限制後，就能夠有直上305~310km/h的實力。
配置S54B32引擎的美規版本雖然仍與歐洲車型有所差異，不過這次特別使用了正統的M Power引擎，因此實力也相當強悍；為了符合當地法規，S54B32增加了頭段觸媒，2次回收系統(冷車時提速使引擎快速達到工作溫度)、並針對進排氣系統進行微調之後，仍有著333hp/7900rpm、36.22kgm/4900rpm的輸出，不過在於油耗上更勝歐規車。
Z4M加速更是只需要5秒，解除限速後更是有上看極速315km/h的實力。
由於不同車種的進化時間差，因此造成E46 M3在前期的時候，與概念屬於前一個世代的Z3 M Coupe、Z3 M Roadster在市場上有些許的重疊時間；在2000年前生產的Z3M搭載與E36 M3所使用的S50B32(321hp)引擎，然而隨著新系統的導入，2001~2002年的Z3M 改成S54B32心臟。
不過由於在當代，BMW車款的長幼倫理極為重要，因此Z3 M Coupe、Z3 M Roadster為了避開打到師兄的危險，特別對引擎做了限轉，將紅線區下修到7600rpm，而總合輸出也因而降到325hp/7400rpm、36.02kgm/4900rpm(美規車型315hp/7400rpm、34.69kgm/4900rpm)。
雖說官方政策與帳面數據是如此，不過由於Z3車系擁有車重與尺碼的先天優勢，因此即便在受限的設定下，仍有十分傑出的性能表現，在現今車價水漲船高，全球持續看漲。
2003年更限量推出1,400輛的M3 CSL輕量化版本，CSL利用進排氣強化與監理系統的重設，將輸出提升到360hp/7900rpm、37.76kgm/4900rpm，車重減輕至1,385kg，整車比標準版M3輕了110kg，前後軸配重也達到了完美的50:50平衡，這些改變註定它擁有出色的運動性能。在紐博格林北環賽道的測試中，它跑出了7分50秒的單圈最快成績，比如今的寶馬M4還要快上2秒。
隨著BMW跟上全球渦輪化的改變，像S54B32這類高轉性能本質瘋狂的強烈作品，也將成為絕無僅有的歷史級珍品。
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