Tesla Model S навсегда изменила соотношение сил в противостоянии бензиновых и электрических автомобилей, обеспечив последним перевес по всем параметрам. Будучи первым электромобилем высшего класса, она смогла развеять все предрассудки о непрактичности, ненадёжности и небезопасности транспортных средств с нулевыми выбросами, а также уравнять их в цене с бензиновыми аналогами. Благодаря этой модели компания Tesla Motors смогла на равных конкурировать с другими производителями, стимулируя их предлагать собственные экологические решения. В 2015-2016 гг. Tesla Model S стала самой продаваемой электрической машиной в мире, обойдя даже более дешёвый Nissan Leaf. С момента запуска в производство в 2012 г. и до рестайлинга в 2017 г. было продано почти 200000 единиц, из них более 50% - в США. На счету Tesla Model S уже есть такие награды, как "Зелёный автомобиль года-2013", "Автомобиль года-2013" по версии журналов Motor Trend и Automobile и "Автомобиль века" по версии Car and Driver.

Tesla Model S разрабатывалась под кодовым названием "WhiteStar". Её прототип был представлен на Франкфуртском автосалоне 2009 г. Дизайн модели спроектировал Франц фон Хольцхаузен, бывший сотрудник североамериканского филиала Mazda. Внешне 5-дверный лифтбэк-седан получился похожим на полноразмерные автомобили с традиционными ДВС, и только отсутствие решётки радиатора свидетельствует о его необычной компоновке, а заодно обеспечивает чрезвычайно низкий коэффициент лобового сопротивления (0,24). Кузов установлен на платформу с колёсной базой 2960 мм, состоящую из двух мостов, соединённых плитой из литий-ионных аккумуляторов ёмкостью от 60 до 100 кВтч. При полной зарядке эти аккумуляторы обеспечивают запас хода от 335 до 550 км, что сравнимо с дальностью поездки на среднестатистическом бензиновом автомобиле при полном топливном баке. Заряжать автомобиль можно либо от обычной розетки, что займёт не менее 45 мин, либо на фирменных зарядных станциях Tesla Superchargers, где предлагается услуга быстрой замены аккумуляторов.

Трёхфазный асинхронный электромотор Tesla Model S имеет компактные размеры, поэтому помещается между колёсами ведущей задней оси вместе с 1-ступенчатым редуктором. Всё остальное пространство занимает салон со складывающимися задними сиденьями и два багажника, передний и задний. В совокупности это даёт целых 900 литров полезного объёма - больше, чем у любого другого седана и у большинства внедорожников. Tesla Model S также оснащается двухрычажной передней и многорычажной задней подвеской на пружинах, за доплату - с регулируемыми пневматическими элементами. Автомобиль получил 5 звёзд по результатам краш-тестов Euro NCAP и NHTSA.

В 2012 г. Tesla Model S поступила в продажу по цене от $50000. Изначально на выбор предлагались три модификации, обозначенные в зависимости от ёмкости аккумуляторов: 60 (300 л.с.), 85 (360 л.с.) и P85 (420 л.с.). Также существовала версия P85+ с функцией рекуперации тормозной энергии. В 2015 г. появились автомобили с двумя электромоторами (спереди и сзади) и системой постоянного полного привода без механической связи между осями. Они назывались 60D, 70D, 85D, P85D, 90D и P90D, а мощность составляла от 330 до 530 л.с. (мощность этих машин не сводилась к суммарной производительности двух моторов). С 2016 г. в обновлённом кузове Tesla Model S выпускалась в вариантах 75D, 100D и P100D. Последняя со своими 600 л.с. разгонялась до 96 км/ч за 2,4 с - быстрее, чем гибридный суперкар Porsche 918. С 2019 г. предгалаются две модификации: Long Range Plus (670 л.с.) и Performance (778 л.с.), обе с аккумулятором ёмкостью 100 кВт⋅ч.

В стандартную комплектацию Tesla Model S входят электронный контроль стабильности, контроль тяги, ABS, адаптивные светодиодные фары, климат-контроль, камера заднего вида и 17-дюймовый сенсорный экран с Интернетом 3G, устройством Bluetooth, AM/FM/HD-радио и навигацией. Начиная с сентября 2014 г. модель оснащается системой Tesla Autopilot, которая включает полуавтономный режим вождения, автоматическую парковку, адаптивный круиз-контроль, слежение за разметкой и распознавание дорожных знаков. Физическая основа автопилота - это камера Mobileye в верхней части лобового стекла, фронтальный радар Bosch в решётке радиатора и ультразвуковые датчики в переднем и заднем бамперах. Компьютер использует данные навигации, камер и датчиков, заставляя машину двигаться без помощи водителя, самостоятельно поворачивать, обходить препятствия и тормозить при угрозе столкновения.

Илон Маск впервые озвучил своё намерение дополнить линейку Tesla Model S высокопроизводительной версией Plaid в сентябре 2019 г., но выход автомобиля на рынок неоднократно переносился. В январе 2021 г. Tesla анонсировала запуск обновлённой Model S под условным названием Palladium, которая должна была поступить в продажу в июне в трёх модификациях: Long Range (LR), Plaid и Plaid+. На базовой Tesla Model S Long Range стоимостью $85 тыс. остались два электромотора (по одному на каждой оси) суммарной мощностью 670 л.с. и с крутящим моментом 755 Нм. Tesla Model S Plaid стоимостью $130 тыс. получила три электромотора (один спереди и два сзади), оснащённых роторами с углеродной оболочкой и рассчитанных на высокие обороты, суммарной мощностью 1020 л.с. и крутящим моментом 1420 Нм. Обе машины имеют аккумулятор ёмкостью 100 кВт⋅ч, но запас хода по циклу EPA немного отличается: 663 км у LR и 628 км у Plaid. На топовую модификацию Plaid+ стоимостью $150 тыс. планировалось использовать 1100-сильную установку с запасом хода 832 км, но позже Илон Маск заявил, что обычная Tesla Model S Plaid и так «достаточно хороша», а в запасе хода более 640 км нет необходимости, поскольку во время поездки на такое расстояние водитель в любом случае остановится отдохнуть или поесть и поставит автомобиль на подзарядку.

По официальным данным, Tesla Model S Plaid может разгонятся до 96 км/ч за 1.99 с. и достигать максимальной скорости 320 км/ч. Независимые испытания, проведённые журналом Motor Trend, показали время разгона до 96 км/ч за 2.07 с. и прохождение четверти мили (402 м) за 9.34 с. со скоростью 245 км/ч. В сентябре 2021 г. Tesla Model S Plaid установила новый рекорд среди серийных электромобилей на Нюрбургринге, проехав Северную петлю за 7:30.909 – быстрее, чем Porsche Taycan Turbo (7:42.34). Секрет её успеха не только в увеличенной мощности, но и в самом низком среди конкурентов коэффициенте аэродинамического сопротивления – 0,208. Внешне модификацию можно идентифицировать по отсутствию боковых воздухозаборников в переднем бампере, что свидетельствует об усовершенствовании системы охлаждения. Также модель получила пересмотренную подвеску, более эффективный тепловой насос, руль в форме штурвала, увеличенный экран на консоли с новым интерфейсом и больше места для ног задних пассажиров. Зарядка аккумулятора на 300 км от суперчарджера мощностью 250 кВт занимает 15 минут.