De tweeliter dieselmotor onder de kap heeft héél precies een longinghoud van 1995cc (door een boring van 90mm en een slag van 84mm), beschikt vanzelfsprekend over vier kleppen per cilinder, een common-rail inspuiting onder hoge druk en een turbolader. De viercilinder in lijn levert 163pk bij 4.000t/min en 340Nm koppel vanaf 2.000t/min. Cijfers die merkbaar beter zijn dan die van de benzinemotor met gelijke inhoud. Standaard wordt het blok gelinkt aan een handgeroerde zesbak, maar een automaat met even veel verhoudingen is tegen een meerprijs vekrijgbaar. Ondanks een meergewicht van 95kg ten opzichte van de 320i, is deze dieselversie merkbaar vlotter. Zelfs in de sprint, waar het laagtoerige karakter van dieselmotoren toch steeds een nadelig effect heeft op de tijdmeting, klopt het model de benzinevariant. Na amper 8,3 tellen passeert de snelheidswijzer 100km/u. De topsnelheid bedraagt 225km/u. BMW geeft voor de 320d een voorbeeldig verbruikscijfer van 5,7l/100km op. De sportief ingestelde chauffeur rekent best 2l extra.

Het weggedrag is haast even voorbeeldig dan dat van de eerder geteste 320i. Haast, want de diesel wordt soms het slachtoffer van z’n eigen werkijver. Daardoor reageert vooral het ultrastijve onderstel, en de sportief afgestelde ophanging, soms wat nerveuzer. Kleine oneffenheden, zoals putdeksels, lokken van de door het koppel gegeselde aandrijflijn soms een wat nerveuze reactie uit. Daarnaast spreekt de 320d om dezelfde reden ook wat meer de rijhulpsystemen aan. Echt storend is dat niet, maar een soepeler afgestelde achterophanging kan het wellicht beter camoufleren. Op dit ene detail –want meer is het niet- na, is het weggedrag onbesproken. De stuurinrichting is communicatief, de wegligging dankzij een perfecte gewichtsverdeling (onder meer dankzij een nieuwe voorophanging met een aluminium vooras met dubbele gewrichten) uitgesproken gebalanceerd. Om de 3 af te remmen monteert BMW geventileerde schijven met een diameter van 300mm rondom.