Extérieurement, le Z4M partage la majeure partie des éléments de carrosserie avec les autres Z4 e85. Toutefois, la face avant plus agressive reçoit un bouclier avant spécifique et l'arrière le même traitement avec les 4 sorties d'échappement, véritable signature esthétique des BMW M. Les jantes M double branches ainsi que les divers logos "M" sur les ailes avant et le coffre achèvent le traitement cosmétique avant de passer dans l'habitacle. Passé les seuils de portes signés du logo "M", la planche de bord reste elle aussi commune à tous les Z4 mais son habillage diffère avec un cuir-carbone plus qualitatif que l'aluminium. Le Z4M s'équipe également de sièges sport M en cuir Nappa, d'un volant M de petit diamètre et un levier de vitesse à grille de rapports lumineuse, eux aussi en cuir, d'une instrumentation spécifique avec des aiguilles rouges et logos M, sans oublier la zone rouge variable à LED et une température d'huile à la place de la température d'eau.
Sportif mais pas spartiate, le Z4 M est richement doté en série et propose peu d'options hormis l'aide au stationnement, le cruise control, les rétroviseurs extérieurs rabattables électriquement, le rétroviseur central à atténuation de luminosité automatique, les sièges électriques à mémoire côté conducteur, les sièges chauffants, une interface téléphone Bluetooth, un système de navigation Business ou Professional et divers haut-parleurs.
Sous le capot, on retrouve le fameux 6 cylindres en ligne S54 de la M3 E46 et Z3M deuxième série. Mais contrairement aux derniers Z3, bridés à 325 ch, ce bloc dérivé du S50 apparu sur la M3 E36 en 1992 délivre ici toute sa puissance. À savoir 343 ch à 7900 tr/mn et un couple de 365 Nm à 4900 tr/mn dont une grande partie est disponible sur toute la plage de régimes grâce à l'admission variable en continu double Vanos. Le papillon d'admission piloté électroniquement offre deux lois de gestion, dont la plus rapide améliore la réactivité aux ordres de la pédale. Comme unique choix de transmission, le Z4M reçoit la boîte manuelle ZF Type H à 6 rapports et un différentiel autobloquant "M Variable".
En série, le Z4M est équipé du DSC+ (Dynamic Stability Control Plus), évolution du premier DSC intégrant les fonctions d'antipatinage (DTC) et de répartiteur électronique de freinage (DBC) et bien-sûr du contrôle de stabilité en virage. Le DSC+ ajoute donc un "anti-fading" par augmentation température de la pression de freinage, une anticipation des freinages par rapprochement des plaquettes au plus près des disques en cas d'usage intensif (fonctionne également en cas de pluie pour "essuyer" les disques) et une aide au démarrage en côte. Toutes ces assistances sont déconnectables entièrement si l'on souhaite retrouver un peu l'animosité pure des Z3 M. Toutefois, par sa conception sophistiquée des trains roulants, le Z4M E85 se montre bien plus efficace et facile à mener que son ainé. La suspension et la très grande rigidité de structure des Z4 est conservée. La voie avant est élargie de 15 mm, les supports de suspension en aluminium sont empruntés à la M3 e46, le système de direction à assistance hydraulique est directement repris à la M3 e46 (moins démultipliée et non assistée électriquement comme sur les autres Z4) tandis que le cadre de structure arrière élargi (pour intégrer le différentiel M, les bras longitudinaux et les roulements de roues, les ressorts et les amortisseurs sont spécifiques à la version M du Z4. Enfin, les barres anti-roulis avant et arrière sont plus épaisses (27 et 21.5 mm). Notons également le freinage spécifique qui est pour sa part emprunté à la M3 e46 CSL (ou option pack compétition sur la M3 e46), la version la plus performante de la gamme en la matière avec des disques ventilés en deux partie baptisés "compound" (centre en aluminium pour mieux évacuer la chaleur et zone de friction en acier pour la résistance. Les pneumatiques sont généreusement dimensionnés, en 225/45ZR18 à l'avant et 255/40 ZR 18 à l'arrière.
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