Beim Jaguar XK kamen ausschließlich Achtzylindermotoren zum Einsatz. Standardmotorisierung war der XK 4,2 mit 4,2 Litern Hubraum und 298 PS. Darüber rangierte der XKR mit ebenfalls 4,2 Litern und 416 PS. Ergänzt wurde die Palette um ein Sondermodell mit kleinerem 3,6-Liter-Achtzylinder mit 258 PS. 2009 wurde die Motorenpalette überarbeitet. Nun gab es einen 5,0-Liter-Achtzylinder als XK mit 385 PS, als XKR mit 510 PS und ab 2011 als XKR-S mit bis zu 550 PS. Zur Standardausstattung gehörten Heckantrieb und ein 6-Gang-Automatikgetriebe.
Die offiziellen Verbrauchswerte reichten von 11,2 Litern beim XK bis zu 12,3 Litern beim XKR-S, die entsprechenden Emissionswerte von 264 bis zu 294 g/km CO2.