Basierend auf der neuen Generation der 3er-Reihe mit langem Radstand soll der BMW 3er PHEV zusammen mit dem X1 PHEV und dem 5er-PHEV mit langem Radstand das elektrifizierte Angebot des Autoherstellers auf dem Markt vervollständigen. Der Vierzylinder ist der bekannte Zweiliter-Turbo aus dem 320i, der 135 kW / 184 PS leistet und im 330e von einem Elektromotor unterstützt wird, der 83 kW / 113 PS beisteuert, was die Gesamtleistung kurzfristig auf bis zu 215 kW / 292 PS und ein maximales Drehmoment von üppigen 420 Nm steigen lässt. Im Dauerbetrieb stehen 252 PS zur Verfügung. Der Elektromotor ist dabei im Gehäuse der Achtgang-Automatik von ZF verbaut und verlängert dieses um gerade einmal 1,5 Zentimeter. Im Elektroantrieb soll der BMW 3er PHEV eine Reichweite zwischen 59 km und 66 km haben.
Mit vollgeladenen Akkus gibt BMW einem Normverbrauch von 1,6 bis 1,9 Litern Super an, was einem CO2-Ausstoß von schmalen 37 bis 43 g pro Kilometer entspricht. Der kombinierte Stromverbrauch des BMW 330e beträgt 14,8 bis 15,4 kWh je 100 Kilometer. Nachgeladen wird über eine Steckdose am vorderen linken Kotflügel.