Audi R8 LMS 是 R8 的赛车版本。尽管外观与普通 R8 相同，但 LMS 在功能和机械结构方面与其公路版车型几乎没有共同之处。一款新的赛规 V10 发动机可输出 430 kW（577 hp；585 PS）的峰值功率。移除标准全轮驱动系统，以及在 Audi Space Frame（ASF）中智能混合使用铝材、结构 CFRP 部件和钢制防滚架，仅这些就使底盘减轻了约 30 kg（66 lb），现在重量为 252 kg（556 lb）。与此同时，承载式车架的扭转刚度提高了 39%。这些减重措施使得整车重量仅为 1,225 kg（2,701 lb）。除此之外，该车还配备了许多安全特性，例如前部改进的空间框架结构和后部碳纤维碰撞元件可在碰撞中保护驾驶员；来自 Audi R18 e-tron Quattro 的特殊 PS1 赛车座椅（该座椅以设定 LMP1 赛车的安全标准而闻名）被用于提供额外的安全性，并直接连接到底盘以增加刚度。一个可快速调节的脚踏板系统以及一个高度和长度可调的安全转向柱允许对不同驾驶员进行多样化调节。R8 LMS GT3 中采用了 DTM 房车赛中使用的车顶救援开口，这是 GT3 赛车中的首次应用，事故后，它允许以避免脊柱受力的方式抬起驾驶员的头盔。
尽管 R8 LMS 中的材料组合更为复杂，但 Audi 成功地将量产车和赛车的制造工艺比以往更紧密地整合在一起。在海尔布隆 Bollinger Hofe 工业园的一个新制造设施中，Quattro GmbH 结合生产这两种车型。例如，尽管赛车配备了铝制铸造接头和钢制防滚架，但 R8 LMS 的赛车底盘仍然集成在基本生产流程中，直至车顶组装和阴极电泳涂装（CDP）阶段（这是一种底漆形式）。完成这些生产步骤后，赛车在海尔布隆-比伯拉赫完成组装。Audi R8 LMS 的全新空气动力学概念首次包括了完整的内衬底板和概念集成的后扩散器。因此，后翼的尺寸可以在不相应增加空气动力阻力的情况下减小。通过更大横截面向后开放的轮拱有助于改善气流。前部散热器的气流速率和冷却面积增加了百分之十，以应对最高外部空气温度。为了提高赛车手专注于任务的能力，驾驶舱内的新鲜空气循环得到了改善。在 200 km/h（124 mph）的速度下，气流速率为每秒 250 升。尽管 2016 年规则对空气动力学设计施加了显著更高的限制，Audi 仍实现了这些改进。
Audi R8 LMS Evo 于 2018 年在 2019 赛季前亮相。该车采用了新的车身套件，包括一个用于改善下压力的新型前分流器，以及改进的变速箱。该车可供客户购买新车，或作为现有 Audi R8 LMS 车型的 evo 套件。
2021 年，Audi Sport 发布了 Audi R8 LMS Evo II，该车改进了空气动力学、发动机特性、空调、悬挂和牵引力控制系统。该车可供购买新车，或作为上一代 Audi R8 LMS 的升级套件。
