2004年6月8日に発表された[6]。ラインアップは、2.5 L 直6エンジンを搭載する「2.5i」（右ハンドル）と、3.0 L 直6エンジンを搭載する「3.0i」（右／左ハンドル）の2種類が用意された。ガソリンモデルのみとなり、5速ATが組み合わされた。ボディ・カラ－は10色、シート素材は2種類、シート・カラーは8色から選択可能。スポーツ・パッケージや、ナビゲーション・パッケージ、電動パノラマガラスサンルーフなどのオプション装備も豊富であった。
パワートレインは、最新世代の2.0 L 直4ディーゼルエンジンと、3.0 L 直6ガソリンエンジンが用意される。前者は6速MTが標準設定、8速ATがオプション設定となる。後者は8速ATが標準設定となり、パドル・スイッチを備えたスポーツATがオプション設定となる。8速ATには、「BMW EfficientDynamics」の理念に基づき、歴代初のアイドリングストップ機能が搭載される。ほかにも、ブレーキ・エネルギー回生システム、電動パワーステアリング (EPS)、バルブトロニックなど、環境に配慮した数多くの機能が装備される。
2011年3月29日に発表された[13]。ラインアップは、3.0 L 直6エンジンを搭載する「xDrive28i」と、3.0 L 直6 BMWツインパワー・ターボ・エンジンを搭載する「xDrive35i」の2種類が用意される[14]。右ハンドル仕様のみとなり、8速ATが組み合わされる。トップ・ビュー機能付きのリヤ・ビュー・カメラ、アダプティブ・ヘッドライト、コンフォート・アクセスなどを、全グレード標準装備とした。
2012年3月21日、エントリー・モデルとして、新グレード「xDrive20i」が追加導入された[16]。2.0 L 直4 BMWツインパワー・ターボ・エンジンに8速ATが組み合わされる。右ハンドル仕様のみで、エコカー減税および補助金の対象モデルとなる。
同年5月22日、仕様変更[17]。「xDrive28i」のエンジンが3.0 L 直6の自然吸気エンジンから2.0 L 直4の直噴ツインパワー・ターボ・エンジンに変更された。エンジン自体は「xDrive20i」と同一で、出力違いとなる。また、全グレードに「ECO PROモード付きドライビング/パフォーマンス・コントロール」が標準装備となった。スイッチ操作一つで、エンジン・レスポンス、8速ATの変速制御などの走行モードを「ECO PRO」「COMFORT」「SPORT」「SPORT+」から選択できる。
同年9月24日、クリーン・ディーゼル・モデルの「xDrive20d BluePerformance」が追加導入された[18]。2.0 L 直4 BMWツインパワー・ターボ・ディーゼル・エンジンに8速ATが組み合わされる。右ハンドル仕様のみで、エコカー減税および補助金の対象モデルとなる。NOx吸蔵還元触媒など、メンテナンス・フリーの最先端排出ガス処理技術「BMW BluePerformanceテクノロジー」を採用し、世界最高水準の排出ガス基準である、日本の「ポスト新長期規制」に適合する。
2014年6月10日、後期型の販売が開始された[20]。ラインアップは「xDrive20i」「xDrive20d」「xDrive28i」「xDrive35i」で、それぞれに「Standard」「xLine」「M Sport」が用意される。「xDrive28i M Sport」と「xDrive35i M Sport」には8速スポーツATが、それ以外のグレードには8速ATが組み合わされる。全モデル右ハンドル仕様となる。
同年8月6日、特別仕様車「Celebration Edition "BLACKOUT"」を限定200台で発売[22]。「xDrive20d M Sport」をベースに、内外装をブラック一色で統一したスタイリングが特徴である。ブラック・サファイアのボディに、キドニーグリルや18インチホイールをはじめ、ネバダ・レザー・シート（フロント・シート・ヒーター付き）や、BMW Individualアンソラジット・ルーフ・ライニングに至るまで、随所をブラック一色で統一した。さらに、ブラッシュド・アルミ・インテリア・トリム、アルミ・ペダル、HiFiスピーカー・システムを標準装備するとともに、"BLACKOUT" の文字が刻印されたインテリア・バッジ、レザー・キーケースを特別装備している。
2017年1月6日、特別仕様車「BLACKOUT」を、限定107台で発売[23]。前年に発売された「Celebration Edition "BLACKOUT"」と同様に「xDrive20d M Sport」をベースとし、内外装をブラック一色で統一したスタイリングが特徴である。さらに、アダプティブLEDヘッドライト、電動ガラス・サンルーフ、BMWヘッドアップ・ディスプレイを標準装備している。
パワートレインは、2.0 L 直4 BMWツインパワー・ターボ・エンジンと、3.0 L 直6 BMWツインパワー・ターボ・エンジンが用意される。両者ともガソリン/ディーゼルの両方が用意され、8速ATが標準設定となる。50:50の前後重量配分、フロントのダブル・ジョイント・スプリング・ストラット・アクスルと5リンク・アクスルからなるサスペンション・コンセプト、四輪駆動システム「xDrive」といった構成要素は、先代から継承される。
同年9月20日、高性能ディーゼル・エンジンを搭載するM Performanceモデル「M40d」が追加導入された[35]。右ハンドル仕様のみで、3.0 L 直6 M Performanceツインパワー・ターボ・ディーゼル・エンジンに8速スポーツATが組み合わされる。Mスポーツ・サスペンションおよびMスポーツ・ディファレンシャルが搭載されており、より正確なトラクション・コントロールを実現すると同時に、コーナリング性能を高めている。内外装は、大型キドニーグリル、エア・インテークおよびミラー・キャップをフェリック・グレーで統一したほか、ブラック・クローム仕上げのデュアル・エキゾースト・テールパイプと、「M40d」のリア・バッジを装備している。
2019年6月23日、高性能モデル「X3 M」および「X3 M Competition」が発表された[36]。BMW M社が開発を手がけた3.0 L 直6エンジンにドライブロジック付き8速ATが組み合わされる。インテリジェント4WDシステム「BMW M xDrive」や「アクティブMディファレンシャル」を搭載し、サーキット走行を想定したパフォーマンスを持ち合わせる。「X3 M Competition」は、「X3 M」をベースに出力を増強しているほか、ブラックアウトしたエクステリアパーツ、Mマルチファンクションシートなどの専用アイテムを装備する。
同年11月14日、特別仕様車「MIDNIGHT EDITION」を限定130台で発売[37]。「xDrive20d M Sport」をベースに、純正アクセサリーの20インチブラック・ホイール、限定装備のエクステンド・シャドー・ライン・エクステリアを採用し、ブラック・サファイアのボディと相まって統一感を持たせた。インテリアは、コニャック色のシートにセンサテック・ダッシュボードを特別装備する。
2020年3月6日、高性能ガソリン・エンジンを搭載するM Performanceモデル「M40i」が追加導入された[38]。右ハンドル仕様のみで、3.0 L 直6 M Performanceツインパワー・ターボ・ガソリン・エンジンに8速スポーツATが組み合わされる。内外装の意匠や装備は、同じくM Performanceモデルの「M40d」に準じる。
2021年10月28日、後期型の販売が開始された[41]。ラインアップは大幅に整理され、「xDrive20i」「xDrive30e」が「Standard」のみ、「xDrive20d」が「Standard」と「M Sport」となった。また、全モデルで「xLine」グレードが廃止された。右ハンドル仕様のみで、2.0 L 直4エンジンに、8速ATが組み合わされる。
あわせて、特別仕様車「M Sport Edition」を限定30台で発売[42]。「M40d」をベースとし、エクステリアにはブラックのアクセントを、インテリアには特別なブラック&ブルー・ステッチのスポーツ・シートとMシート・ベルトを採用している。
BMW OSは、X2 (U10) に初搭載されたAndroidベースのID9で、TVerやNHKオンデマンドといった他社製のソフトウェアのインストールが可能になった[45]。さらに、車両のキーを持たずとも、対応のスマートフォン、スマートウォッチを携行していれば、車両に近づくだけでロック解除、エンジン始動を可能にする「BMWデジタル・キー・プラス」や、AI技術を活用し、音声会話だけで車両の操作、情報へのアクセスが可能となる「BMWインテリジェント・パーソナル・アシスタント」も装備している。
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