La M3 E46 è stata presentata nel 2000 con il nuovo motore da 3.2 litri di cilindrata, nella configurazione a sei cilindri in linea siglato S54B32, con una potenza di 343 cv a 7.900 giri/min e una coppia di 365 Nm a 4.900 giri/min. È quindi caratterizzato da una elevata potenza specifica, pari a circa 107 cavalli/litro, una valore notevole per un motore aspirato, raggiunto anche grazie al variatore di fase di nuova generazione, denominato Doppio VANOS, sia per l'aspirazione che lo scarico. Oltre a ciò, l'alimentazione era caratterizzata dalla presenza di ben sei corpi farfallati. Questo le permetteva di raggiungere i 250 km/h autolimitati e di accelerare da 0 a 100 km/h in 5.2 secondi. La nuova M3 era dotata di cambio manuale a 6 marce, ma a partire dal 2001, fu dotata del nuovo cambio robotizzato, chiamato SMG II (acronimo di Sequenzielles Motorsport Getriebe di seconda generazione), nato dall'esperienza della BMW in Formula 1, che permetteva di cambiare rapporto in soli 80 millisecondi senza avere il pedale della frizione, azionata da degli attuatori elettroidraulici, al pari degli innesti delle marce; era poi possibile variare la velocità, e quindi la "dolcezza" o meno, delle cambiate.
Era disponibile sia con carrozzeria coupé che con carrozzeria cabrio: non fu prodotta invece come berlina, poiché in tale versione, la precedente M3 E36 incontrò un minor consenso presso la clientela: in seguito, nel marzo 2003, la M3 fu proposta anche in un allestimento più simile ad una macchina da corsa, ovvero la versione CSL (Coupé Sport Lightweight), raggiunto grazie ad una notevole diminuzione di peso di 110 kg con l'uso di materiali diversi, ed un aumento della potenza fino a 360 cv. Il primo in particolar modo grazie all'utilizzo della fibra di carbonio rinforzata per il tetto, i gusci dei sedili, i paraurti e il cofano posteriore, eliminando radio e climatizzatore e montando nuovi cerchi da 19' in alluminio che permettono un risparmio di circa 11 kg. Sono stati poi montati nuovi dischi dei freni maggiorati (345 mm invece di 325 mm). Per il motore sono arrivati nuovi alberi a camme e valvole, nuove centraline più potenti e una aspirazione migliorata. Era inoltre disponibile il "launch control", che permetteva di impostare il motore in modo da raccogliere il massimo della potenza per le accelerazioni più brucianti.
Esteticamente, la nuova M3 ha operato una svolta decisa, discostandosi decisamente da quella politica di understatement del modello precedente. Infatti, la E46 appariva decisamente più vistosa, grazie soprattutto ai parafanghi allargati ed alla bombatura del cofano anteriore, realizzato in alluminio. Caratteristiche di questa serie erano poi le branchie laterali sui parafanghi anteriori, con logo M3. Infine, osservando la coda, balzavano subito all'occhio i minacciosi quattro terminali di scarico, per la prima volta montati su una M3.
Anche la M3 E46 riscosse un gran successo: è stata tolta di produzione nel 2006 per essere rimpiazzata l'anno seguente dal modello E92.
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