Bezpośredni wtrysk benzyny FSI umożliwia wysoką kompresję w stosunku 12,5:1. Cztery regulowane wałki rozrządu sterują zaworami. Przy niskim obciążeniu i małej prędkości, pokrywy w kanałach dolotowych wprawiają wpływające powietrze w odpowiednią rotację. Układ wydechowy przystosowany jest do niewielkiego podciśnienia. W obu końcowych rurach układu wydechowego znajdują się klapy. Ich otwarcie podczas gwałtownego dodania gazu sprawia, że auto wydaje jeszcze pełniejszy dźwięk.
Silnik 4.2 FSI generuje moc 316 kW (430 KM) przy obrotach rzędu 7 900 obr/min., a jego maksymalny moment obrotowy wynosi 430 Nm i jest dostępny w zakresie od 4 500 do 6 000 obr/min. Jednostka ta sprawia, że Audi R8 Coupé ze skrzynią S tronic przyspiesza od zera do 100 km/h w ciągu 4,3 s i rozpędza się dalej, do prędkości maksymalnej wynoszącej 300 km/h (ze skrzynią manualną: 4,6 s i 302 km/h). W Audi R8 V8 Spyder wartości te wynoszą odpowiednio 4,5 i 4,8 s, a prędkość również 300 km/h. Audi R8 V8 quattro w wersji coupé ze skrzynią S tronic zużywa średnio 12,4 l paliwa na 100 km.
Maksymalny moment obrotowy silnika V10 wynosi 530 Nm przy 6 500 obr/min. Przy wartości 8 000 obr/min, jednostka generuje moc 386 kW (525 KM). Wał korbowy został skonstruowany z wykorzystaniem technologii Common-Pin, czego wynikiem są zmienne odstępy zapłonu, wynoszące 54 i 90 stopni. Taka konstrukcja łączy w sobie maksymalną sztywność i niewielki ciężar. Jednocześnie nadaje silnikowi V10 jedyny w swoim rodzaju dźwięk, bliski brzmieniu samochodu wyścigowego.
Audi R8 V10 Coupé ze skrzynią S tronic, od zera do 100 km/h przyspiesza w ciągu 3,6 s, a jego prędkość maksymalna wynosi 314 km/h. W przypadku manualnej skrzyni biegów wartości te wynoszą 3,9 s i 316 km/h. Standardowe przyspieszenie Audi R8 V10 Spyder ze skrzynią S tronic osiąga w czasie 3,8 s, a jego prędkość maksymalna wynosi 311 km/h (ze skrzynią manualną: 4,1 s i 313 km/h). Zużycie paliwa Audi R8 V10 Coupé wynosi średnio 13,1 l na 100 km.
Nowym modelem flagowym serii jest Audi R8 V10 plus. Generuje on moc 404 kW (550 KM), jego maksymalny moment obrotowy wynosi 540 Nm przy 6 500 obr/min. Ze skrzynią S tronic, Audi R8 V10 plus, dostępne tylko w wersji coupé, przyspiesza od zera do 100 km/h w 3,5 s i osiąga prędkość maksymalną 317 km/h. Średnie zużycie paliwa wynosi 12,9 l na 100 km. W wersji z manualną skrzynią biegów, wartości te wynoszą odpowiednio 3,8 s, 319 km/h i 14,9 l.
Nowa wersja Audi R8 może być wyposażona w jedną z dwóch oferowanych skrzyń biegów. Sześciobiegowa skrzynia manualna, której dźwignię umieszczono w prowadnicy ze stali szlachetnej jest standardowym elementem wyposażenia aut z silnikiem V8. W przypadku modeli z silnikiem V10 jest ona montowana na życzenie. W nowej siedmiostopniowej skrzyni S tronic – dostępnej w opcji w autach z silnikiem V8 i montowanej seryjnie w modelach z silnikiem V10 – biegi są sportowo zestrojone blisko siebie. Ostatni bieg ma najszerszy zakres. Kierowca może obsługiwać wyposażoną w dwa sprzęgła przekładnię albo za pomocą tradycyjnej dźwigni zmiany biegów, albo przy pomocy łopatek umieszczonych przy kierownicy. Alternatywnie może użyć trybu sportowego. Naciśnięcie przycisku uruchamia funkcję Launch control, zapewniającą start na podwyższonych obrotach z minimalnym poślizgiem opon.
