ニュー BMW 3 シリーズのガソリン・エンジンには、2.0リットル直列4気筒 BMWツインパワー・ターボ・エンジンが搭載されている。この高効率のダウンサイジング・エンジンは、ツイン・スクロール・ターボ・チャージャー、高精度ダイレクト・インジェクション・システム（筒内直接噴射）、ダブルVANOS（吸排気可変バルブタイミング）、バルブトロニック（無段階可変バルブ・リフト）といったBMWが誇る最先端技術を投入したもの。320iの場合、最高出力は135kW（184ps）/5000rpm、最大トルクは270Nm（27.5kgm）/1250-4500rpmと、いずれも先代320iを上回る数値を達成。さらに328iでは、それぞれ180kW（245ps）/5000rpm、350Nm（35.7kgm）/1250-4800rpmとなり、従来の直列6気筒・自然吸気エンジンを大きく上回っている

またトランスミッションには、このクラスで最も多段となる8速ATを搭載。さらにエンジン・オート・スタート/ストップ機能（アイドリングストップ機能）、ブレーキ・エネルギー回生システム、電動パワーステアリングなどの低燃費技術も併せて採用している。さらに全車標準のドライビング・パフォーマンス・コントロールでECO PRO（エコ・プロ）モードを選択した際は、エンジン・レスポンスやシフト・タイミングを最適化するだけでなく、エアコン等の作動も効率的に制御し、燃料消費量を抑制。結果、JC08モード燃費は、320iで16.6km/リットル、328iでは15.2km/リットルとなり、ハイブリッド車を除くこのクラスのガソリン車ではトップクラスの数値を実現している。