Четвёртое поколение BMW 3-Series (E46) выпускалось в пяти типах кузова: 4-дверный седан, универсал (Touring), 3-дверный хэтчбэк (Compact), купе и кабриолет. BMW M3 была доступна только в последних двух из них, и отличалась от остальной линейки выпуклым алюминиевым капотом, расширенными колёсными арками, вентиляционными отверстиями в передних крыльях, аэродинамическими бамперами, обтекаемыми зеркалами и коваными 18-дюймовыми дисками. В качестве силовой установки использовался рядный 6-цилиндровый 24-клапанный двигатель S54 объёмом 3246 см3 и мощностью 343 л.с. (в США - 333 л.с.), который имел шесть отдельных дроссельных заслонок с электронным управлением и систему изменения фаз газораспределения VAMOS. Автомобиль также оснащался 6-ступенчатой механической коробкой передач Getrag или электрогидравлической трансмиссией SMG Drivelogic с фирменным селектором и подрулевыми лепестками, специально настроенным динамическим контролем стабильности (DSC), усиленной подвеской и вентилируемыми дисковыми тормозами.

В 2003 г. была произведена ограниченная серия (1354 ед.) BMW M3 CSL, названная в честь легендарной модели 3.0 CSL. Она предлагалась только в двух цветах (Silver Grey Metallic и Black Sapphire Metallic) и была максимально облегчена за счёт ряда кузовных панелей (крыши, бамперов, крышки багажника) и внутренних элементов (панель приборов) из углепластика, более тонкого заднего стекла, стеклопластиковых сидений и отсутствия звукоизоляции. Кроме того, модификация получила на 17 л.с. более мощный двигатель, пересмотренную подвеску, тормоза и рулевое управление и 19-дюймовые литые диски BBS с шинами Michelin Pilot Sport Cup. С 2005 г. всё это оборудование можно было заказать для обычной BMW M5 в пакете Competition Package. Легче и быстрее была только дорожная версия BMW M3 GTR, построенная в небольшом количестве для омологации в американской серии Le Mans. На неё устанавливался гоночный мотор V8 с сухим картером, объёмом 3997 см3 и мощностью 350 л.с. Продажи всех вариантов BMW M3 (Е46) за 2000-2006 гг. составили 85744 ед.