E39世代的M5于1998年日内瓦车展亮相，是首款搭载V8发动机的M5车型，动力输出提升至294千瓦（400马力）。它也是首款采用铝合金前悬挂部件和多连杆后悬挂的M5。生产于1998年10月启动。
1999年至2003年间，总产量达到20,482辆。与前代车型不同，M5在德国丁戈尔芬工厂与普通5系车型共用同一条生产线。
官方性能数据为0-97公里/小时（0-60英里/小时）加速时间4.8秒，电子限速最高时速250公里/小时（155英里/小时）。测试中，未限速的M5最高时速超过300公里/小时（186英里/小时）。E39 M5在纽博格林赛道的单圈成绩为8分20秒。
M5于2000年9月与标准E39车型同步进行了中期改款（对应2001款车型）。改动包括前大灯采用卤素“光环”（常被称为“天使眼”）、LED尾灯以及多项内饰升级。机械规格保持不变。在随后的两个车型年中，改动仅限于新增外观颜色（自2001年9月起）以及升级至基于DVD的导航系统（自2002年9月起）。
BMW曾评估生产“Touring”（旅行版）E39 M5车型的可能性，并至少开发了一辆原型车（采用钛银色外观搭配Black Exclusive真皮内饰）。然而，出于财务考量，Touring版本最终未能投产。
E39 M5搭载BMW S62 V8发动机，在6,600转/分时可输出294千瓦（400马力；394匹马力）的功率，在3,800转/分时可产生500牛·米（369磅·英尺）的扭矩。S62发动机采用电子控制独立节气门体、铝合金缸体和缸盖、可变气门正时（双VANOS）以及半干式油底壳润滑系统。
变速箱为Getrag 420G六速手动变速箱，与E39 540i所用型号相同，但因扭矩增大而升级了离合器。差速器采用更短的3.15:1齿比，并配备限滑差速器，最大锁止率为25%。
E39 M5采用大量铝合金部件的麦弗逊支柱前悬挂和多连杆后悬挂，与E39 5系其他V8车型类似。不过，BMW M进行了若干改进：降低弹簧高度23毫米（0.9英寸）；采用特定的减震器阀片；加粗前后防倾杆；配备聚氨酯辅助弹簧和钢制球头。
尽管六缸E39车型使用齿轮齿条式转向系统，但M5（及其他V8车型）保留了前代M5所用的循环球式转向系统。其转向比为14.7，相比其他V8车型的17.9更为灵敏。它配备了Servotronic车速感应式助力转向系统，通过中控台上的Sport按钮可提供两级阻力调节。Sport按钮还可调整电子节气门开度以获得更灵敏的响应。
制动盘（转子）采用“浮动式”双片设计（美国和加拿大车型除外），以降低锥形变形风险。其较低的簧下质量提升了行驶舒适性，并在颠簸路面上改善了牵引力。前制动盘直径为345毫米（13.58英寸），后制动盘直径为328毫米（12.91英寸）。
