E90/E92/E93 3系列中的M3车型搭载了BMW S65 V8发动机，并提供轿车、敞篷车和双门轿跑车三种车身样式。E9x是首款也是唯一一款采用V8发动机的标准量产M3，其后续车型将回归使用直列六缸发动机。在标准版M3中，S65发动机在8,400转/分时可输出309千瓦（420马力；414匹马力）的功率，在3,900转/分时可输出400牛·米（295磅·英尺）的扭矩。
最初，M3配备6速手动变速箱。2008年4月，E90/E92/E93 M3成为首款可选装双离合变速箱的BMW车型，当时7速Getrag "M-DCT"变速箱作为选装配置推出。
双门轿跑车和轿车的官方0-100公里/小时（0-62英里/小时）加速时间，使用DCT变速箱为4.6秒（手动变速箱为4.8秒），敞篷车为5.1秒。
E90和E92版本获得了众多积极评价，包括"世界上最出色的全能型汽车"、"市场上最好的汽车，没有之一"以及"世界上最好、最完整的汽车"。
E9x M3的总产量为40,092辆双门轿跑车、16,219辆敞篷车和9,674辆轿车。轿车车型于2011年停产，双门轿跑车则持续生产至2013年7月5日。
首款推出的车身样式是E92双门轿跑车，它于2007年日内瓦车展上预展，并于2007年9月12日在法兰克福车展上以量产形式亮相。双门轿跑车版本采用碳纤维车顶以减轻重量并降低重心。2010年，双门轿跑车和敞篷车版本进行了小幅改款，包括重新设计的LED尾灯和细微的内饰装饰件，但并未采用常规系列更新的大灯。
E93敞篷车版本在双门轿跑车之后不久推出，采用电动可伸缩硬顶。敞篷车版本的真皮座椅经过特殊涂层处理，可反射阳光，以减少在敞篷状态下座椅变得过热的倾向。
E90轿车版本于2008年推出，是继E36之后第二款（与E36并列）采用四门车身样式生产的M3。轿车拥有与双门轿跑车相同的动力系统和相似的外部造型，然而，由于缺少碳纤维车顶，其重量比配置相同的双门轿跑车增加了10公斤（22磅）。[需要引用]
2008年欧洲规格车型（配备手动变速箱）的官方整备质量为：双门轿跑车1,580公斤（3,483磅），轿车1,605公斤（3,538磅），敞篷车1,810公斤（3,990磅）。
M Performance Parts为第六代M3打造。这些部件包括黑色双肾格栅、M轮毂、可减重9公斤（20磅）的M Performance排气系统、碳纤维后视镜、扰流板和前唇、手刹、钢制踏板、运动型方向盘、黑色侧饰条和Alcantara真皮方向盘按钮装饰、M条纹贴纸。
"Competition Package"（有时称为ZCP）版本于2010年发布。其改动涉及悬挂和电子稳定控制系统，包括：
BMW于2009年11月宣布了M3 GTS，并于2010年开始生产。GTS被设计为"面向公路合法的俱乐部运动车型"，仅生产双门轿跑车车身样式。与标准M3相比，其改动包括升级的发动机、减轻的整备质量、重新调校的悬挂、升级的制动系统和可调空气动力学套件。
GTS采用排量扩大至4.4升（269立方英寸）的发动机，功率输出为331千瓦（444马力）。唯一的变速箱选择是7速双离合变速箱（M-DCT），官方0-100公里/小时（0-62英里/小时）加速时间为4.4秒。
该车比标准M3轻136公斤（300磅），这得益于更轻的中控台和门板、聚碳酸酯侧窗和后窗、取消后排座椅以及移除隔音材料。
悬挂改动包括可调外倾角和车身高度、刚性安装的后轴以及重新调校的减震器。前制动系统升级为6活塞卡钳，制动盘直径增大18毫米（0.7英寸）；后制动系统升级为4活塞卡钳，制动盘直径同样增大18毫米（0.7英寸）。空气动力学套件可通过前裙板和后翼角度进行调节。产量限制为135辆，很快就销售一空。
M3 CRT（碳纤维赛车技术）是2011年生产的一款M3轿车特别版。CRT搭载与GTS相同的4.4升S65发动机，但与专注于赛道的GTS相比，它保留了更高水平的豪华配置。CRT采用碳纤维发动机盖和前排座椅以减轻重量，使其整备质量比配置相当的标准M3轿车低约150磅（68公斤）。
产量限制为67辆，每辆车仪表板上都带有编号铭牌。官方0-100公里/小时（0-62英里/小时）加速时间为4.4秒。
BMW Motorsport于2012年重返DTM赛事，并打造了54辆"DTM Champion Edition"汽车以纪念BMW M3赢得冠军。DTM Champion Edition的独特之处在于其视觉改动，使其与DTM赛车相关联，例如"Frozen Black"车漆颜色、车顶和行李箱盖上的条纹、碳纤维翼片、Gurney翼片和哑光黑色轮毂。内饰改动包括部分内饰件采用碳纤维材质、手刹握把上绣有"M Power"标志，以及手套箱上方带有Spengler签名和"DTM champion 2012"字样的编号铭牌。所有车辆均配备双离合变速箱。
在美国，M3 Lime Rock Park Edition为2013款车型年生产。共售出200辆，全部为双门轿跑车，采用"Fire Orange"车漆颜色。性能改动包括碳纤维前唇和后扰流板、车身高度降低0.4英寸（10毫米）、电子稳定控制系统阈值提高以及轻量化排气系统。BMW声称其发动机功率输出与标准M3相同，然而，在向标准M3车辆销售轻量化Inconel-titanium BMW Motorsports排气系统时，BMW声称该系统可增加约5马力（4千瓦）。[需要引用]
Lime Rock Park Edition的内饰包含一块铭牌，上面写着"One of 200"。
由于GTS版本未在南非上市，BMW于2009年开发了BMW M3 Frozen Edition。得益于AC Schnitzer进气歧管和发动机管理系统的改动，发动机升级后可产生330千瓦（443马力）的功率。
共生产了25辆Frozen Edition汽车，外观颜色均为"Frozen Black"或"Frozen Grey"。
2012年，BMW宣布了此特别版，计划为美国生产40辆，为欧洲生产100辆。
为纪念BMW M部门成立40周年而打造，每款车型均采用"Frozen Silver Metallic"外观车漆。据BMW称，这种颜色是一种特殊的哑光漆，为车辆增添了金属光泽。内饰采用黑色皮革和钯银色配件。
M3 Pickup是一款基于E93 M3敞篷车打造的一次性定制变体，于2011年愚人节公开发布。它被用作BMW M GmbH的车间运输车辆，取代了使用了26年的E30 M3皮卡版本。该车由M GmbH的员工以及实习生和工程专业学生组装。
E92 M3标志着BMW在中断20年后重返德国房车大师赛（DTM）。在2012年的首个赛季中，M3赢得了车手总冠军、制造商总冠军以及赛季十场比赛中的五场胜利。
在耐力赛中，BMW Motorsport/Schnitzer Motorsport M3 GT2在Jörg Müller、Augusto Farfus、Pedro Lamy和Uwe Alzen的驾驶下赢得了2010年纽博格林24小时耐力赛。M3还在2010年斯帕24小时耐力赛中获得第二名发车位，并在比赛大部分时间里领先，直到最后一小时因悬挂故障被迫退赛。M3在ILMC 2010年中国珠海1000公里赛中赢得了GT2组别冠军。
M3的GT4版本于2009年推出，并参加了多项赛事，包括在2009年纽博格林24小时耐力赛中获得GT4 SP10组别第三名，以及在2009年4月纽博格林举行的ADAC Westfalenfahrt比赛中赢得其组别冠军。2009年7月，BMW Motorsport发布了一款可供私人车队和车手购买的M3 GT4车型；该车型包含GT2车身套件。官方整备质量为1,430公斤（3,153磅），据称对336千瓦（451制动马力）发动机的改动极小。对于2010年纽博格林24小时耐力赛，"性能平衡"规则要求M3的功率输出不得超过287千瓦（385制动马力），且最低重量为1,400公斤（3,086磅）。
在美国，Rahal Letterman Racing在2009年美国勒芒系列赛赛季中派出了两辆工厂支持的E92 M3参加GT2组别比赛。2011年，BMW在赛百灵12小时耐力赛中包揽冠亚军。在2011年美国勒芒系列赛GT组别中，BMW Team RLL横扫所有类别，赢得了GT制造商、车队和车手总冠军。2012年，M3在赛百灵12小时耐力赛中赢得了GT组别冠军。在勒芒参赛的79号M3 GT2在被Jeff Koons装饰后，成为了第17辆BMW艺术车。M3 GT2于2013年被BMW Z4 GTE取代。
