С самого начала инженеры BMW во главе с Альфредом Бёнингом понимали, что производительность 6-цилиндровой модели BMW 501 не соответствует её габаритам и весу. Автомобиль отставал в динамике от своего конкурента Mercedes-Benz 300, поэтому в 1952 г. компания начала разработку двигателя V8. Конструкцию решили скопировать с американского мотора Oldsmobile Rocket V8, но в меньшем рабочем объёме и с использованием алюминиевого блока и головок в сочетании с чугунными гильзами цилиндров. В это время на должность главного инженера вернулся создатель BMW 328 Фриц Фидлер, который и завершил проект. В итоге силовой агрегат V8 с внутренним индексом M502 получил два параллельных клапана на цилиндр с приводом от одного нижнего распределительного вала, клиновидные камеры сгорания, пятиопорный коленчатый вал, один двухкамерный карбюратор Solex и практически одинаковые значения диаметра цилиндра и хода поршня (74x75 мм). При объёме 2680 см3 его мощность составляла 100 л.с., и этого было достаточно, чтобы сделать BMW 502 самым быстрым немецким седаном своего времени.

Представленная на Женевском автосалоне 1954 г., BMW 502 разделяла шасси и кузов с моделью 501, но отличалась более роскошной внутренней и внешней отделкой. В стандартную комплектацию входили раздельные передние сиденья и противотуманные фары. В 1955 г. 2.6-литровый двигатель V8 стал доступен и на BMW 501, а для BMW 502 была предложена его увеличенная версия объёмом 3268 см3 и мощностью 120 л.с. Начиная с 1958 г. автомобили обозначались по объёму мотора: BMW 2.6 и 2.6 Luxus (100 л.с.), BMW 3.2 (120 л.с.) и BMW 3.2 Super (140 л.с. с двумя карбюраторами). В 1959 г. в список опций вошёл усилитель руля, в 1960 г. - передние дисковые тормоза. В 1961 г. модели были переименованы в BMW 2600 (100 л.с.), BMW 2600L (110 л.с.), BMW 3200L (140 л.с.) и BMW 3200S (160 л.с.). Последняя модификация с двумя карбюраторами разгонялась до 190 км/ч.

Известные как "ангелы барокко", BMW 501 и BMW 502 были превосходными автомобилями высшего класса с красивым дизайном и богатым оснащением. Однако коммерческого успеха они не имели: с 1952 по 1962 гг. было продано в общей сложности 21854 экземпляра, и на каждом из них компания теряла свыше 4000 DM. Компенсировать эти убытки помогла миниатюрная BMW Isetta. Большинство выпущенных BMW 501/502 получили заводской 4-дверный кузов седан. В том же стиле были выполнены купе и кабриолеты 1954-1956 гг. от ателье Baur из Штутгарта. Несколько иначе выглядели 2-х и 4-дверные кабриолеты от фирмы Autenrieth: они отличались шире расставленными фарами и панорамным лобовым стеклом, а серия купе и кабриолетов "Marburg" была примечательна понтонными крыльями. Также известны работы швейцарских кузовостроителей Beutler и Worblaufen.