V říjnu roku 1995 BMW představilo inovovanou verzi s několika podstatnými změnami, která vešla ve známost jako Evolution. Základní změny byly: větší motor, šestistupňová převodovka. Nový motor byl vyvíjen během tří let stejným týmem, který byl odpovědný za McLaren F1 V12. Vrtání bylo oproti třílitrové variantě zvětšeno o 0,4 mm na 86,4 a zdvih o 4,2 mm na 91 mm. Obsah motoru byl nyní 3201 a kompresní poměr vzrostl na 11.3:1. Další změny zahrnovaly odlehčené písty, vylepšenou spojku, vyztužené a povrchově upravené ojnice, větší sací ventily, druhá olejová pumpa k eliminaci nasátí vzduchu při prudkých zatáčkách, modifikované výfukové potrubí a dva katalyzátory s účinností krátce po nastartování. K tomu aby byly redukovány emise, hluk a spotřeba BMW vyvinulo vlastní nový MSS50 motorový management. Vznikl ve spolupráci mezi BMW a Siemens a uměl zpracovat 20 milionů operací za sekundu. Jeho funkce byly: specifické dávkování směsi pro každý válec zvlášť, všechny funkce spojené s zapalováním (šest indukčních cívek – pro každý válec jedna), čidlo klepání (podle BMW je možno jezdit na bezolovnatý benzín s jakýmkoli počtem oktanů) a plně elektronicky řízený VANOS pro sací i výfukové vačky (předchozí 3.0l motor měl VANOS pouze na sací vačce). Vanos na sací vačce pracoval spojitě, na výfukové ve dvou krocích. Další funkce: chytrý „black box“, který monitoroval množství oleje v motoru, odpojoval benzín v případě instrukcí z immobilizeru, kontroloval přetočení motoru a byl plně samodiagnostický. Jednalo se o nejdokonalejší managemt systém, který byl aplikován do silničního seriového vozidla. Tento systém byl i klíčem k vysoké účinnosti motoru. Při zvýšení kapacity motoru o 7% vzrostl točivý moment o 9% a maximum bylo posunuto směrem k nižším otáčkám na 3250 ot/min. Výkon vzrostl o 12% na 321 k při 7400 ot./min. Učinnost motoru se tak přehoupla přes magickou hranici 100 k z 1 litru. To bylo nejvíce ze všech BMW kromě V12 z McLarenu F1. Spolu s tím vzrostla spotřeba o pouhých 6%. Ekonomičnost provozu a tím i snížení emisí bylo hlavním důvodem k zavedení šestistupňové převodovky. Je odvozena z verze M5 a přizpůsobena M3. Šestý převodový stupeň je nyní do rychla, první tři rychlosti jsou kratší. Maximální rychlost 250 km/h lze dosáhnout jak na šestku, tak i na pětku. Pokud je odstraněn omezovač, není nemožné dosáhnout rychlosti 290 km/h.

Předělány byly také tlumiče s pružinami a řízení bylo změněno tak aby bylo více citlivé (byl změněn převod a odstraněn proměnný účinek posilovače v závislosti na rychlosti). Přední brzdové kotouče byly použity z verze M5 (plovoucí dvoudílné uložení má své kořeny v motoristickém sportu). Z M5 pochází i 25% samosvorný diferenciál. Spolu se změnami brzd byl vyvinut speciálně pro Evolution i nový ABS systém (Teves MkIV). Podle BMW je schopna M3 ze stokilometrové rychlosti zastavit za 2.8s. Všechny tyto změny se podepsaly na celkových jízdních výkonech (zrychlení 0-100 za 5,5 sekund, elesticita 80-120 na IV. 5,7s (3.0l to měla za 6,4s)). Změny viditelné zvenku nebyly příliš výrazné. Blinkry vepředu i vzadu jsou nyní bílé, mřížka v nárazníku je nyní černá (dříve ve stejné barvě jako zbytek vozu). Méně obvyklé však bylo již volba hliníkových dveří namísto ocelových (úspora 12 kg na každé straně). Představeny byly i další nové barvy (kromě nepřeberných množství kombinací od BMW Individual): Estoril Blue, Techno Violet, Byzantium, Bostongreen a náhrada za červenou Mugellorot - Hellrot. Seznam nezahrnuje barvy z programu BMW Individual. Uvnitř nalezly uplatnení nové materiály: na sedadlech látka M-cross s typickými lemy ze semiše. Kožené čalounění v pěti barvách a nyní i Modena Nature. Pro náročné posluchače hudby byl v příplatkové nabídce Hi-Fi systém fy Harmann-Kardon. Poslední změnou byly automaticky ztmavovací vnitřní zrcátka. Zpočátku byla vyráběna pouze karosářská varianta kupé ale začátkem roku přibyly i Cabrio a Sedan. Každá varianta měla své typické disky: kupé – 10 paprskové M-Style Double Spoke II, Cabrio – pětipaprskové M-style double Spoke, sedan – M-Contour. Všechny byly obuty pneumatikami o rozměru 225/45/17 vepředu a 245/40 vzadu. Kiabriolet měl samozřejmě elektricky ovládanou střechu, elektricky ovládané zadní okna a automatickou ochranu při převrácení vozu. Byl vybaven sice o něco méně sportovními sedačkami než kupé ale nabízel M- sport podvozek, kožené čalounění a metalický lak. Cena vozu byla o něco vyšší než u třílitrové verze. Testovací jezdci byli opět nadšeni. Zvýšený výkon tak katapultoval vůz do teritoria nejvýkonnějších sportovních vozů na světě. Změněná geometrie a řízení propůjčovala vozu perfektní stabilitu a omezila přetáčivý charakter vozu. Za sucha tak již není takřka možné v zatáčce odsadit záď bez drastického přidání plynu.

Americký trh dostal opět degradovanou verzi o výkonu 243 k při 6000 a s pětistupňovou převodovkou. Tuto verzi není třeba dále komentovat a lituji Američany (ale můžou si za to sami).