CTS-V стал первым настоящим muscle-каром от Cadillac, предлагающим бескомпромиссную производительность наряду с богатой внутренней отделкой и множеством высокотехнологичных функций. Основанный на платформе младшей модели Cadillac CTS, он стал родоначальником спортивной серии с индексом "V", которая является аналогом Mercedes-Benz AMG и BMW M. Первое поколение CTS-V выпускалось в 2004-2007 гг. и предлагалось только с кузовом седан. В 2009 г. поступил в продажу новый CTS-V Sedan по цене $60000, а в 2011 г. появились версии Coupe и Sport Wagon.

Cadillac CTS-V второго поколения оснащался 6.2-литровым двигателем LSA V8 от Corvette C6. Блок цилиндров был выполнен из алюминиевого сплава с чугунными гильзами цилиндров, коленчатый вал - из кованой стали. Силовой агрегат имел один нижний распределительный вал и с нагнетателем Eaton развивал 556 л.с. Заднеприводная платформа GM Sigma II была оборудована независимой пружинной подвеской на поперечных рычагах спереди и многорычажной сзади, с технологией управления амортизаторами Magnetic Ride Control. На всех колёсах стояли вентилируемые дисковые тормоза с 6-поршневыми суппортами Brembo спереди и 4-поршневыми сзади, а также 19-дюймовые диски из алюминиевого сплава с шинами Michelin Pilot Sport 2 (255/40ZR19 спереди и 285/35ZR19 сзади). На выбор предлагались две 6-ступенчатых коробки передач: механическая Tremec TR-6060 или автоматическая 6L90 с функцией ручного переключения с помощью подрулевых лепестков.

Купе CTS-V имело такую же колёсную базу, как и седан, но было меньше его по высоте и выглядело более спортивно. Отличительные особенности этой версии - увеличенная сеточная решётка радиатора и воздухозаборник в переднем бампере, выпуклый капот и сдвоенная выхлопная труба в форме розетки в центре заднего бампера. В стандартную комплектацию входили кожаные сиденья шафранового цвета (за доплату - регулируемые в 14 позициях спортивные сиденья Recaro), жёсткий диск на 40 Гб для музыки, устройство Bluetooth и аудиосистема Bose.

Американская фирма Hennessey, специализирующаяся на производстве ультимативных суперкаров, в 2013 г. выпустила ограниченную серию из 12 заряженных Cadillac CTS-V Coupe, переименованных в Hennessey VR1200 Twin Turbo. На автомобиль был установлен алюминиевый 7-литровый двигатель V8 с модифицированными топливной и выхлопной системами, стальным коленчатым валом, коваными алюминиевыми поршнями, двумя турбонаддувами, интеркулером и индукционной системой. Всё это с трудом помещается под капотом с большой выпуклостью и обеспечивает невообразимые 1226 л.с. мощности. Среди других усовершенствований следует назвать керамические тормоза с 8-поршневыми суппортами Brembo спереди и 6-поршневыми сзади, заниженную подвеску, внутреннюю отделку из алькантары и углеволокна, передний сплиттер и задний диффузор.