F90 M5 基于 G30 5系打造，采用全轮驱动（"xDrive"）动力系统，这是 M5 首次采用非后轮驱动布局。不过，其全轮驱动系统偏向后轮驱动。如果禁用电子稳定控制系统（ESC），也可以配置为仅向后轮输送动力。变速箱为 8 速 ZF GA8HP75Z 自动变速箱。
M5 的外观由 Seungmo Lim 设计。该车于 2017 年 8 月在 Gamescom 上亮相，以宣传《Need for Speed Payback》的发布。M5 也于 2017 年 9 月在法兰克福车展（IAA）上展出。M5 在德国的 BMW Dingolfing 工厂与常规 5 系车型共同生产。
F90 M5 从静止加速至 100 km/h（62 mph）需 3.4 秒，加速至 200 km/h（124 mph）需 11.1 秒。以英制单位计算，达到 60 mph（97 km/h）需 2.8 秒，达到 100 mph（161 km/h）需 6.6 秒。静止起步完成 400 米（四分之一英里）加速需 10.9 秒，使这款 M5 成为一台“10 秒俱乐部”车型。最高时速限制为 250 km/h（155 mph），选装 M Driver's Package 后可达 305 km/h（190 mph）。尽管增加了全轮驱动部件的重量，F90 M5 仍比上一代 M5 轻 40 kg（88 lb）。
2017 年 12 月，F90 M5 在湿滑的测试场创下了“最长连续车辆漂移”和“最长双车漂移（水辅助）”的吉尼斯世界纪录，距离分别为 374 公里和 79 公里（232 英里和 49 英里）。在 sport auto 的测试中，F90 M5 在纽博格林北环的圈速为 7:38.92。
发动机是上一代 S63 的进化版本。新 M5 的功率输出为 441 kW（600 PS；591 hp），与上一代限量版“Competition Package”和“30 Jahre M5”车型的功率相同，而扭矩提升至 750 N⋅m（553 lb⋅ft），比上一代 M5 增加了 70 N⋅m（52 lb⋅ft）。
变速箱为八速 ZF 8HP 自动变速箱。F90 是首款采用液力变矩器自动变速箱的 M5（相较于上一代的双离合变速箱），BMW 表示选择它是因为其耐用性，且换挡时间与双离合变速箱相比并无显著变慢。此前在北美市场提供的手动变速箱已被取消。
“Competition Package”于 2018 年 8 月推出，功率提升至 460 kW（617 hp；625 PS）@ 6,000 rpm，扭矩保持不变，为 750 N⋅m（553 lb⋅ft）@ 1,800 - 5,800 rpm。官方 0-100 km/h（62 mph）加速时间比标准版 M5 缩短了 0.1 秒，意味着根据 BMW 的数据，0-100 km/h（62 mph）加速需 3.1 秒。其他变化包括更硬的弹簧、增加的前轮外倾角、降低 7 mm（0.3 英寸）的车身高度、重新设计的轮毂以及增加了颗粒过滤器的排气系统。在 sport auto 的测试中，M5 Competition 在纽博格林北环的圈速为 7:35.90。尽管标称功率为 460 kW（617 hp）（曲轴处测量），但 Car and Driver 的测功机测试显示 M5 Competition 在车轮处输出为 460 kW（617 hp；626 PS），表明其实际输出可能高于标称值。
F90 M5 的中期改款车型于 2020 年 6 月发布，适用于 2021 款。改款的主要亮点包括重新设计的前大灯和尾灯，前大灯的日间行车灯采用极简的 L 形设计。前保险杠和后保险杠也经过重新设计，整体造型更为锐利。基础版车型未进行任何机械改动，而 M5 Competition 则配备了经过改进的减震器和可调悬挂系统的调校。该版本还新增了“Track”模式，启用后会关闭所有驾驶辅助系统和信息娱乐系统，以提供更专注的驾驶体验。颜色选项新增了五种外观颜色，包括 Motegi Red、Brands Hatch Grey、Tanzanite Blue II、Individual Aventurine Red 和 Frozen Bluestone。
内饰方面，M5 现在配备了 12.3 英寸信息娱乐显示屏，取代了之前的 10.25 英寸单元。系统也从之前的 NBT EVO ID6 升级至 iDrive 7.0。信息娱乐系统的新功能包括无线 Android Auto 功能、自然语音识别以及 BMW 的基于云的导航，可提供更快的路线计算和更及时的交通信息。内饰新增了两种新的内饰选择，即黑色皮革和米色 Alcantara 饰面。改款 M5 于 2020 年 8 月开始销售。
这是 M5 有史以来首款 CS 版本，该车于 2021 年 3 月投入生产。其显著区别包括：
碳纤维增强聚合物（CFRP）用于引擎盖、前分流器、外后视镜盖、唇形扰流板和后扩散器，相比 M5 Competition 减重 70 公斤。尽管有这些改进，最高时速仍保持在 305 km/h（190 mph），并且仅提供三种颜色（其中两种为 BMW Individual 颜色）：Brands Hatch Grey Metallic、Frozen Brands Hatch Grey Metallic 和 Frozen Deep Green Metallic。
M5 可配备 M Performance 部件，这些部件与 CS 版本使用的类似。包括分流器、侧裙、扰流板、扩散器和碳纤维部件。
BMW 为 F90 M5 的首发推出了 400 台特别版，采用 Individual Frozen Dark Red Metallic 颜色和 Individual 烟白色内饰，配以 Piano Black 木饰，iDrive 控制旋钮下方刻有“1/400”字样。BMW 称其为 First Edition M5，奇怪的是它们是在 2018 年中期生产的。
为庆祝 2019 年 M5 诞生 35 周年，BMW 制造了 350 台“35 Jahre M5”。所有 350 台车均采用 BMW 特别版车漆，颜色为 Individual 色调的 BMW Individual Frozen Dark Grey II。内饰方面，前门槛饰条和座椅靠背上绣有“35 Jahre M5”字样，仪表板上放置了一块刻有“35 Jahre M5”和“1/350”字样的铭牌。
