BMW М3 зразка 2001 з'являється у всьому світі з новим двигуном S54B32. На момент появи машини, цей двигун був найпродуктивнішим «атмосферником» колись випущеним БМВ. Він мав потужність 343 «конячки» і крутний момент 365 Нм. Перший випуск нової М3 був забарвлений кольором Laguna Seca Blue. Машина поставлялася з новою коробкою передач SMG Drivelogic (SMG 2) та електрогідравлічною ручною системою перемикання в стилі Ф1 без педалі зчеплення та з пелюстками для перемикання під кермом. "Червона зона" починалася на 8000 об/хв, вперше для БМВ. Двигун виробляв понад 100 л. на літр об'єму (343 к.с./3.2 літра), машина розганялася до 100 км/год за 5.2 секунд, максимальна швидкість становила 250 км/год (обмежена електронікою; без обмежувача — 304 км/год). Було випущено 2 спеціальні версії: M3 GTR V8 та M3 CSL. M3 GTR з'явилася на світ у 2001 році. Машина оснащена 4-х літровим V-подібним 8-циліндровим двигуном потужністю 450 к.с., і повним приводом. Основна причина в заміні рядної шістки - це неможливість боротися на рівних з Porsche 996 GT3. 2003 року з'являється лімітована серія M3 CSL. Основними відмінностями цієї машини стали: потужніший двигун (360 к.с.), менша вага (завдяки карбоновому капоту та даху). Також машина пройшла низку косметичних змін. Так було змінено дизайн колісних дисків, збільшено задній спойлер і з'явився великий повітропровід на передньому бампері.