Mẫu xe thể thao có khả năng đạt tốc độ trên 400 km/h, tăng tốc từ 0 lên 100 km/h trong 2,2 giây là nhờ có được công suất 1.001 mã lực, mô-men xoắn 1.250 Nm từ khối động cơ 16 xi-lanh chiều dài 710 mm, trọng lượng 400 kg, không lớn hơn loại V12 truyền thống.

Động cơ gồm hai khối VR8, đặt lệch nhau 15 độ. Mỗi khối có 8 xi-lanh chia làm hai hàng theo kiểu chữ V với góc nghiêng 90 độ với 2 tubin tăng áp. Nhờ kết cấu độc đáo động cơ 4 hàng xi-lanh, 64 van mà chỉ cần dùng đến 4 trục cam (thông thường mỗi hàng cần sử dụng 2 trục, một cho van xả, một cho van nạp).

Bugatti Veyron 16.4 sử dụng động cơ W16, dung tích 8 lít, công suất 1.001 mã lực. Bugatti Veyron 16.4 Super Sport cũng trang bị đông cơ tương tự nhưng có công suất 1.200 mã lực và là mẫu xe nhanh nhất thế giới.

Đội phát triển của tiến sĩ Franz-Joseph Paefgen và tiến sĩ Wolfgang Schreibe đã phải giải quyết hai thử thách lớn. Nếu như tạo ra cực đại công suất để đạt danh hiệu số 1 về tốc độ là công trình ý tưởng xuất sắc thì làm sao để siêu xe được phép vận hành trên đường lại là một thách thức khó vượt qua. Theo lời tiến sĩ Schreiber, để có công suất đẩy 1.000 mã lực, hệ thống yêu cầu sản sinh ra 2.000 mã lực và một nửa trong số đó tiêu tốn vào khí xả và nước làm mát.

Hệ thống làm mát sử dụng 2 vòng tuần hoàn. Vòng tuần hoàn lớn có chức năng duy trì nhiệt độ ổn định trong khi động cơ làm việc. Vòng tuần hoàn nhỏ giúp giảm nhiệt độ khí nạp và khí xả.

Để làm được điều này khối động cơ Bugatti sử dụng tới 2 vòng tuần hoàn độc lập cho hệ thống làm mát. Vòng lớn chứa 40 lít nước làm mát, sử dụng 3 dàn lạnh đặt phía trước xe để duy trì nhiệt độ làm việc ổn định cho động cơ. Vòng tuần hoàn thứ 2 có bơm nước độc lập, chứa 15 lít nước để làm mát không khí nạp đến nhiệt độ 130 độ trong khi turbin nén chúng vào xi-lanh. Quá trình cháy kết thúc, nhiệt độ khí xả xấp xỉ khoảng 1.000 độ làm quay tubin tăng áp, được làm mát xuống còn 150 độ, rồi qua bộ chuyển đổi xúc tác trước khi được thải ra ngoài.

Trọng lượng được làm nhẹ không chỉ làm tăng tỷ số giữa công suất và trọng lượng mà còn giúp các chi tiết bên trong động cơ phản ứng nhanh hơn. Các loại vật liệu nhẹ như thanh truyền làm từ titan (Ti), bơm dầu 8 chế độ sử dụng bánh răng nhôm được tích hợp bên trong các-te dùng để bôi trơn khô. Với 16 xi-lanh đảm bảo cho tốc độ động cơ chạy cực êm nên chỉ cần một bánh đà nhỏ. Bugatti đã học hỏi nhiều công nghệ dùng cho động cơ xe thể thao, bằng chứng là việc mạ plasma mặt trong của xi-lanh, sử dụng trục làm từ thép cường độ cao, hay dùng nhôm để chế tạo các-te.

Hệ thống dòng điện ion kiểm soát hiện tượng kích nổ và lỗi đánh lửa. Chính bởi số lượng xi-lanh lớn, động cơ làm việc êm nên vận tốc biến đổi rất nhỏ khi có lỗi đánh lửa xảy ra ở một xi lanh. Việc xác định xi-lanh bị lỗi chỉ dựa vào hiện tượng làm việc không ổn định của động cơ là chưa đủ để đảm bảo độ chính xác. Do đó cảm biến dòng ion BIS (Bugatti Ion Current Sensing) được sử dụng. Dòng ion chạy qua mỗi bu-gi ở thời điểm đánh lửa được giám sát bởi hệ thống cảm biến đánh giá riêng biệt.

Thành tựu mà các kỹ sư của Bugatti đặt được với mẫu động cơ W16 xứng đáng là biểu tượng mà các hãng sản xuất xe hướng tới.