С каждым новым поколением характеристики BMW M5 поднимались на более высокий уровень. В 2011 г. модификация была перестроена на платформе F10 и получила вместо атмосферного мотора V10 меньший по объёму 4.4-литровый двигатель V8 (S63) с прямым впрыском, двойным турбонаддувом и технологией Valvetronic. Мощность выросла с 500 до 560 л.с., а расход топлива снизился на 30%, до 9.9 л/100 км. Максимальная скорость ограничивалась на отметке 250 км/ч или 305 км/ч в пакете "M Driver". Улучшить динамику разгона помогли 7-ступенчатая трансмиссия DKG "M Drivelogic" с двойным сцеплением и электронный дифференциал (Active M Differential) с переменной степенью блокировки. В стандартную комплектацию также вошли усилитель руля M Servotronic, контроль стабильности DSC, композитные дисковые тормоза с ABS и функцией рекуперации энергии (EfficientDynamics), лаунч-контроль, более жёсткая алюминиевая подвеска на двойных поперечных рычагах спереди и многорычажная сзади с электронной регулировкой амортизаторов (DDC), электрически регулируемая рулевая колонка с кнопками MDrive и четырёхзонный климат-контроль. За доплату предлагался комплект ConnectedDrive, в который входили проекционный дисплей Head-Up, адаптивные фары, система ночного видения с распознаванием пешеходов, система предупреждения о выходе за полосу движения и подключение для смартфона. Ещё одной опцией были 20-дюймовые легкосплавные колёса с шинами Michelin Pilot Super Sport 265/35 спереди и 295/30 сзади.

BMW M5 в кузове F10 была представлена на Франкфуртском автосалоне 2011 г. В этом поколении она была доступна только в кузове седан, и отличалась структурой бамперов, вентиляционными отверстиями в передних крыльях, двойными выхлопными трубами и эксклюзивными дисками. В сравнении с предыдущей версией автомобиль был на 90 кг тяжелее, несмотря на применение в конструкции кузова таких материалов, как алюминий и углепластик. Машину критиковали и за менее отзывчивое рулевое управление. Но главным фактором снижения популярности M5 было то, что в линейке 5-й серии появились более дешёвые и экономичные модификации, предлагавшие достаточно высокую производительность. Так, мощность 4.4-литрового бензинового мотора V8 у BMW 550i достигла 450 л.с., а 3-литрового рядного 6-цилиндрового турбодизеля у BMW M550d - 380 л.с.