Bij de lancering waren er 2 versies beschikbaar: de 3.0i (3.0L 6-in-lijn motor met 231pk) en de 4.4i (4.4L V8 motor met 286pk). In juni 2001 kwam een dieselversie op de markt: een 3.0d met een 3.0L 6-in-lijn motor die 184pk levert. In april 2002 kwam een sportieve versie uit: een 4.6is met een 4.6L V8 motor van 347pk.
Een facelift gebeurde in oktober 2003. De 4.4i kreeg een krachtigere motor die 320pk kon leveren. Ook de 3.0d kreeg meer vermogen: 218pk. In april 2004 werd het topmodel een 4.8is, uitgerust met een 4.8L V8 motor met 360pk. Dat maakte de BMW X5 4.8is de derde snelste SUV van het moment, achter de Porsche Cayenne Turbo en de Range Rover Sport.
