První řada (1979-1985)
Při představení v září 1979 byl z W116 přenesen 2,8litrový řadový šestiválcový motor M110 DOHC pro 280 S/SE/SEL. Revidované motory M116/M117 V8 prošly významnou inovací: hliníkový blok bez železných pouzder, jak se nachází v motorech konkurence. Mercedes-Benz vyvinul speciální silikonový povlak, který zpevňuje vložky válců proti nadměrnému opotřebení. Motory V8 byly nabízeny ve dvou variantách: 3,8 litru (M116) a 5 litrů (M117). Motor M116 V8 měl jediný rozvodový řetěz, zatímco motor M117 V8 měl dvojité rozvodové řetězy. Častá mechanická porucha jednoho rozvodového řetězu v motoru M116 V8 byla řešena v roce 1982 přechodem na dvojité rozvodové řetězy z motoru M117 V8.
Menší ze dvou motorů V8 byl původně na americkém trhu nabízen pouze díky společnosti CAFE (Corporate Average Fuel Economy). 380 SEL si ve Spojených státech získal velmi špatné vnímání zákazníků jako silně poddimenzované a kvůli mechanickým problémům s jediným rozvodovým řetězem. 380 SEL pro americký trh trvalo 11 sekund, než dosáhl rychlosti 60 mph (97 km/h) z klidu, a měl maximální rychlost 117 mph (188 km/h). Vážný nedostatek výkonu motoru W126 s motorem V8 byl vyřešen zavedením výkonnějšího 500 SEL/SEC v roce 1984.
Kupé třídy S bylo vybaveno motory V8 pouze poprvé. 3,0litrový pětiválcový řadový vznětový motor OM617 byl přenesen z W116 se stejným výkonem. Dieselové motory opět nebyly nikdy nabízeny na trzích mimo Spojené státy a Kanadu.
Tento rozpor byl vyřešen až v roce 1994, kdy byl W140 S 350 TURBODIESEL poprvé představen v Evropě.
V roce 1981 představila společnost Mercedes-Benz program „Energiekonzepts“ (energetický koncept) na snížení spotřeby paliva. Tento program revidoval spalovací komory a hlavy pístů s nižším kompresním poměrem u motorů V8. Tato revize způsobila další pokles výkonu motoru.
Druhá řada (1986-1991)
U druhé řady představené v září 1985 byla řada motorů rozsáhle přepracována s novými šestiválcovými řadovými motory a rozšířenými motory V8. Z první řady byl přenesen pouze 5,0litrový motor M117 V8, čímž se nabídka motorů V8 rozšířila na tři.
Upravená řada motorů se více zaměřila na další snížení znečištění a spotřeby paliva. Poprvé si zákazníci mimo americký a kanadský trh mohli vybrat modely s katalyzátorem nebo bez katalyzátoru. Modely bez katalyzátorů lze dodatečně dovybavit katalyzátory později, pokud se zákazníci rozhodnou: tato metoda dodatečného vybavení se nazývá RÜF (Rückrüstfahrzeug – volně přeloženo jako dovybavení vozidla). Modely RÜF měly v motorovém prostoru mechanický spínač, který ovládali majitelé pro provoz na olověná nebo bezolovnatá paliva, což je nezbytná funkce pro jízdu mimo Německo nebo v oblastech v Německu, kde bezolovnaté palivo dosud nebylo rozšířené. V roce 1990 byly všechny motory vybaveny pouze katalyzátory a byl odstraněn mechanický spínač.
Nový šestiválcový řadový motor M103 měl jediný vačkový hřídel nad hlavou a elektronicko-mechanické vstřikování paliva a byl k dispozici ve dvou velikostech: 2,6 a 3,0 litru. Karburátorový motor namontovaný na 280 S byl vyřazen, což znamenalo konec karburátorových motorů pro třídu S a byl nahrazen motory se vstřikováním paliva pro 260 a 300.
Motory V8 byly opět vyvrtány na 4,2 litru z 3,8 litru u 420 (M116) a 5,5 litru od 5,0 litru u 560 (M117), zatímco 5,0litrový V8 u 500 (M117) byl přenesen. Motory V8 byly vybaveny novým elektronickým zapalovacím systémem a elektronicko-mechanickým systémem vstřikování paliva Bosch KE-Jetronic, který se poprvé objevil ve W201 190E. Revidované motory V8 kromě verze o objemu 5,0 litru měly mírný nárůst výkonu.
Nejsilnějším motorem, jaký kdy byl do třídy W126 S vybaven, byl 5,5litrový osmiválec o výkonu 221 kW (300 k, 296 k). Tento motor, klasifikovaný jako ECE-Variante (německý název), má vyšší kompresní poměr 10: 5 a nelze jej dodatečně vybavit katalyzátorem. V září 1986 byla ECE-Variante nahrazena společností RÜF-Variante, která si zachovává stejnou koňskou sílu bez katalyzátoru a nižší hodnotu, pokud bude později dodatečně vybavena katalyzátorem. 560 SEL s motorem o výkonu 221 kW byl nejrychlejším velkým sedanem a dosahoval 250 km/h (155 mph), dokud nebylo v roce 1987 představeno BMW 750i/750iL s neřízenou nejvyšší rychlostí 300 km/h (186 mph). Jeho výkon byl srovnatelný s Porsche 911 Carrera 3.2 nebo Ferrari Mondial. V roce 1990 měl 560 SEL snížený výkon na 200 kW (272 PS; 268 k).
Pro americký a kanadský trh byl představen nový 3,0litrový šestiválcový řadový vznětový motor OM603, který nahradil pětiválcový motor se stejným zdvihovým objemem. Jednalo se o první šestiválcový osobní vznětový motor Mercedes-Benz. Tento nový motor byl poprvé k dispozici pouze ve verzi s dlouhým rozvorem, 300 SDL. V Kalifornii byly naftové motory vybaveny filtrem pevných částic, prvním na světě pro osobní automobily. Nový motor měl špatnou pověst kvůli vyššímu procentu selhání hlavy válců z hliníku kvůli špatnému umístění filtru pevných částic a kvůli erozi těsnění hlavy, což umožnilo prosakování chladicí kapaliny do válců. Nepodařilo se jim však provést tak, jak bylo navrženo, a byly odstraněny z motorů. Pro 1988, motor byl revidován opravit problémy a přesunout filtr pevných částic dále od motoru. V roce 1990 byl stejný motor vyvrtán na 3,5 litru, aby kompenzoval snížený výkon v důsledku přísnějších emisních předpisů. „Znuděná“ verze o objemu 3,5 litru neměla kromě výše uvedených jednotek žádný z výše uvedených problémů, které se týkaly nevysvětlitelné eroze těsnění pod hlavou. Verze 3,5 litru byla k dispozici ve standardním i dlouhém rozvoru (350 SD a 350 SDL).
Pětsetšedesátka byla vyrobena na bázi motoru 500 (M117), avšak hlavní rozdíl je v obsahu, tzn. průměr válce je asi o 1 cm větší. Tento vodou chlazený osmiválec má vstřikování BOSH, typ KE III. Na jeden válec jsou použity 2 ventily, tj. celkem 16V. Tento motor je při své brilantní síle v nízkých otáčkách (455Nm při 3750ot.) považován za jeden z prvních nejsilnějších sériově vyráběných motorů. Navzdory velikosti a mohutnosti S-klasse dává vozu takovou svižnost, že sprintuje z 0-100km/h za 6,9 vteřiny!