S級轎車的汽油發動機，采用V字形氣缸排列，以強大的功率輸出和低噪聲著稱。新型燃油燃燒的原理是每缸采用兩個火化塞產生雙火花塞點火，取代通常采用的一個火花塞的雙重點火，這使得燃油燃燒更充分，提高了平穩性和柔和性，不論是跟車緩行還是在高速公路上飛馳都能表現非凡。S350的新型發動機額定功率為180 kW，最大扭矩為350N·m，整備質量為1 840 kg，而0~100 km/h加速時間僅為7.3 s。
梅賽德斯-奔馳還為S350提供了4MATIC全時四輪驅動系統，該系統基于電控車輛穩定行駛系統（ESP）和電子牽引輔助系統（4ETS）之間的緊密配合，利用附加傳感器，ESP的監測對象不只限于車輪的轉速，還包括方向盤的角度及橫向加速度。警告顯示還能讓駕駛員提前知道車輛是否正在進入危險狀況。