CLS:n V6-moottorille tunnusomaisia piirteitä ovat tasainen käynti ja erinomainen suorituskyky, alhainen polttonesteen kulutus ja pienet pakokaasupäästöt. CLS 500:ssä on jäljittelemätön 8-sylinterisen moottorin voima. Moottorin teho on 285 kW (388 hv) ja vääntömomentti 530 Nm. CLS 63 AMG kiihtyy 0...100 km/h vain 4,5 sekunnissa. Sen hengittävässä 6,3-litraisessa V8-moottorissa on tehoa 378 kW (514 hv) ja vääntöä 630 Nm.

Voimaa, pehmeyttä, alhainen polttonesteen kulutus ja pienet päästöt ovat CLS 320 CDI:n tunnusomaisia piirteitä. CLS 320 CDI:n V6-dieselmoottorissa on tehoa 165 kW (224 hv) ja sen vääntömomentti on 540 Nm kierrosluvun ollessa 1600 - 2400 1/min. Tämä malli kiihtyy 0...100 km/h 7 sekunnissa. Itse asiassa CLS 320 CDI:n ainoa dieselmoottorille tyypillinen piirre on pieni polttonesteen kulutus.