Разработка четвёртого поколения BMW 7-й серии началась в 1996 г., а в продажу модель поступила только в конце 2001 г. после дебюта на Франкфуртском автосалоне. Под руководством Криса Бэнгла был устроен конкурс между 20-ю дизайнерами из мюнхенской студии BMW и подразделения Designworks USA, по итогам которого победу одержал проект Адриана ван Хойдонка. Его эскиз ознаменовал значительный отход от традиционного стиля BMW с чёткой трёхобъёмной формой кузова. Новый дизайн характеризовался обтекаемыми «пламенными» поверхностями и крышей фастбэк, переходящей в угловатую крышку багажника, которая получила прозвище «Bangle Butt». Автомобиль стал на 45 мм длиннее, на 38 мм шире и на 60 мм выше, чем в предыдущем поколении (Е38), колёсная база увеличилась на 60 мм и составила 2990 мм для базовой модели (Е65) или 3130 мм для удлинённой (Е66). Архитектура салона была полностью переделана: вместо повёрнутой к водителю центральной консоли с обычным селектором АКПП между сиденьями седан получил сплошную деревянную панель на всю ширину интерьера и рычаг переключения режимов трансмиссии на рулевой колонке, а освободившееся место на трансмиссионном туннеле заняли два подстаканника и вращающаяся ручка управления мультимедийной системой iDrive.

BMW E65 поступила в продажу в трёх бензиновых и двух дизельных модификациях. На BMW 730d устанавливался 3-литровый рядный 6-цилиндровый турбодизель мощностью 215 л.с., на BMW 740d – 3.9-литровый дизельный V8 с двойным турбонаддувом, мощностью 260 л.с., BMW 735i оснащалась 3.6-литровым бензиновым двигателем V8 мощностью 270 л.с., BMW 745i – 4.4-литровым V8 мощностью 335 л.с., а флагманская BMW 760i – 6-литровым мотором V12 мощностью 445 л.с. В 2004 г. базовой стала BMW 730i с 3-литровым рядным 6-цилиндровым мотором мощностью 228-255 л.с., на смену BMW 735i пришла BMW 740i с 4-литровым V8 мощностью 302 л.с., на смену BMW 745i – BMW 750i с 4.8-литровым V8 мощностью 370 л.с., а в дизельной линейке в 2005 г. появилась BMW 745d с 4.4-литровым битурбированным V8 мощностью 330 л.с. Все перечисленные модификации имели первую в мире 6-ступенчатую автоматическую коробку передач производства ZF и задний привод. Бензиновый двигатель N62 V8 впервые получил впускной коллектор регулируемой длины и систему управления подъемом клапанов Valvetronic, а N73 был первым V12 с прямым впрыском. Версии с длинной базой (Е66), доступные только с бензиновыми моторами, обозначались буквами Li. Также выпускались бронированные автомобили с отдельным индексом E67.

Кроме вышеупомянутой 6-ступенчатой АКПП и силовых агрегатов, на BMW 7-й серии Е65/Е66 впервые в отрасли появились такие опции, как электронный стояночный тормоз, активные гидравлические стабилизаторы поперечной устойчивости Dynamic Drive для минимизации крена на поворотах, биксеноновые (HID) фары, электронное выравнивание света фар по горизонтали и вертикали, адаптивный круиз-контроль (ACC) и GPS-навигация на основе DVD. Кроме того, за доплату предлагались система регулировки жёсткости амортизаторов (EDC), самовыравнивающаяся задняя пневмоподвеска, система мягкого закрывания дверей и крышки багажника, электронный смарт-ключ и система ночного видения. Ещё одной инновацией была информационно-развлекательная система iDrive на базе VxWorks, которая объединяла на одном экране электронный помощник BMW Assist, климат-контроль, навигация, подогрев сидений, телефон и настройки автомобиля.