Prva generacija (E83; 2003–2010)
Premijera automobila održana je u rujnu 2003. na sajmu automobila u Frankfurtu. Kao preteču X3, 2003. godine BMW je predstavio konceptno vozilo xActivity na sajmu automobila u Detroitu s platformom 3 serije. Svi modeli X3 opremljeni su sustavom pogona na sve kotače s okretnim momentom raspoređenim prema zadanim postavkama 40:60 između prednje i stražnje osovine i mogućnošću usmjeravanja cjelokupnog okretnog momenta na bilo koju osovinu.
BMW je ažurirao model 2005. i redizajnirao model 2007. s promjenama karoserije, motora, ovjesa i unutarnjih obloga. U razdoblju od sedam godina prodano je oko 600 tisuća automobila.
Bilo je pet modifikacija benzinskih motora s volumenom od 2,0, 2,5 i 3,0 litara s kapacitetom od 148, 181, 215, 228 i 268 KS. Diesel šest modifikacija s volumenom od 1,8, 2,0 i 3,0 litara s kapacitetom od 148 do 282 KS. Postoje dvije opcije prijenosa - 6-stupanjski automatski ili ručni.
Druga generacija (F25; 2010–2017)
Automobil je predstavljen na sajmu automobila u Parizu 2010. Za drugu generaciju, proizvodnja se preselila iz Austrije u BMW-ovu američku tvornicu u Greeru, Južna Karolina, gdje je prvo vozilo pušteno u promet 1. rujna 2010. Svi modeli koriste pogon na sve kotače, nazvan xDrive. Godine 2012. u nekim je zemljama dodan model s pogonom na stražnje kotače pod nazivom sDrive. Razmak od tla povećan je za 12 mm, a međuosovinski razmak za 15 mm. Tijekom cijelog razdoblja proizvedeno je preko 900 tisuća automobila.
Korištena su četiri benzinska motora - dva 4-cilindrična 2,0-litrena motora snage 135 i 180 KS i dva 6-cilindrična redna motora obujma 3,0 litre snage 179 i 225 KS. Tu su i četiri dizelska motora - dva 4-cilindrična 2,0-litrena motora snage 105 i 135 KS te dva 6-cilindrična redna motora obujma 3,0 litre snage 190 i 230 KS. Godine 2014. asortiman motora je ažuriran, volumeni su ostali isti, povećali su snagu zbog turbo punjenja. Emisijski standard za sve motore je Euro 5. Mjenjači su dva - ručni sa šest stupnjeva prijenosa ili automatski mjenjač ZF 8HP sa osam stupnjeva prijenosa.
Godine 2014. F25 je restiliziran. Promjene uključuju nova modificirana dvostruka kružna prednja svjetla, redizajniranu rešetku hladnjaka, nove prednje i stražnje branike, vanjska ogledala s integriranim pokazivačima smjera, središnju konzolu s dodatnom automatskom klimom, nove vanjske boje i druge sitnice. Automobil je predstavljen na 84. Međunarodnom sajmu automobila u Ženevi 2014. i kasnije na 114. Međunarodnom sajmu automobila u New Yorku 2014.
Treća generacija (G01; 2018–danas vrijeme)
Sljedeća generacija će imati novi dizajn koji je kreirao australski dizajner Calvin Look. Nova verzija, kodnog naziva G01, predstavljena je u lipnju 2017. Motor se nalazi sprijeda s pogonom na sve kotače, ali postoji i model s pogonom na stražnje kotače. Automobil će također biti dostupan s hibridnim pogonskim sklopom.
Treća generacija X3 također će dobiti nove tehnologije BMW 5 Series (G30), kao što su upravljanje gestama, vanjska i unutarnja LED rasvjeta te najnoviji iDrive sustav sa širokim ekranom osjetljivim na dodir za navigacijske sustave.
Tri benzinska motora - 2.0, 3.0 (l4) i 4.0 (l6) litara s kapacitetom od 181, 249 i 355 KS Diesel dva - volumen 2.0 (l4) i 3.0 (l6) litara s kapacitetom od 187 i 261 KS Mjenjač 8-stupanjski automatski ZF 8HP.