Първо поколение (E83; 2003–2010)
Премиерата на автомобила се състоя през септември 2003 г. на автомобилното изложение във Франкфурт. Като предшественик на X3, през 2003 г. BMW представи концептуалния автомобил xActivity на автомобилното изложение в Детройт с платформата Серия 3. Всички модели X3 са оборудвани със система за задвижване на четирите колела с въртящ момент, разпределен по подразбиране 40:60 между предната и задната ос и възможност за насочване на целия въртящ момент към всяка ос.
BMW актуализира модела през 2005 г. и преработи модела през 2007 г. с промени в каросерията, двигателите, окачването и интериора. За период от седем години са продадени около 600 хиляди автомобила.
Имаше пет модификации на бензинови двигатели с обем 2.0, 2.5 и 3.0 литра с мощност 148, 181, 215, 228 и 268 к.с. Дизел шест модификации с обем 1.8, 2.0 и 3.0 литра с мощност от 148 до 282 к.с. Има два варианта на предаване - 6-степенна автоматична или механична.
Второ поколение (F25; 2010–2017)
Автомобилът беше представен на автомобилното изложение в Париж през 2010 г. За второто поколение производството се премести от Австрия в американския завод на BMW в Гриър, Южна Каролина, където първото превозно средство беше пуснато на 1 септември 2010 г. Всички модели използват задвижване на всички колела, наречено xDrive. През 2012 г. в някои страни беше добавен модел със задвижване на задните колела, наречен sDrive. Пътният просвет е увеличен с 12 мм, а междуосието е увеличено с 15 мм. През целия период са произведени над 900 хиляди коли.
Използвани са четири бензинови двигателя - два 4-цилиндрови 2.0-литрови с мощност 135 и 180 к.с. и два 6-цилиндрови редови двигателя с обем 3.0 литра с мощност 179 и 225 к.с. Има и четири дизелови двигателя - два 4-цилиндрови 2,0-литрови двигателя с мощност 105 и 135 к.с., както и два 6-цилиндрови редови двигателя с обем 3,0 литра с мощност 190 и 230 к.с. През 2014 г. гамата от двигатели беше актуализирана, обемите останаха същите, увеличиха мощността поради турбокомпресор. Емисионният стандарт за всички двигатели е Евро 5. Трансмисиите са две - шестстепенна механична или осемстепенна автоматична ZF 8HP.
През 2014 г. F25 беше обновен. Промените включват нови модифицирани двойни кръгли фарове, решетка с нов дизайн, нови предни и задни брони, външни огледала с интегрирани мигачи, централна конзола с опционален автоматичен климатроник, нови външни цветове и други малки детайли. Автомобилът беше представен на 84-то международно автомобилно изложение в Женева през 2014 г. и по-късно на 114-то международно автомобилно изложение в Ню Йорк през 2014 г.
Трето поколение (G01; 2018–настояще)
Следващото поколение ще включва нов дизайн, създаден от австралийския дизайнер Calvin Look. Нова версия с кодово име G01 беше представена през юни 2017 г. Двигателят е разположен отпред със задвижване на всички колела, но има и модел с чисто задно задвижване. Автомобилът ще се предлага и с хибридно задвижване.
Третото поколение X3 ще получи и нови технологии за BMW 5 Series (G30) като управление с жестове, външно и вътрешно LED осветление и най-новата система iDrive с широк сензорен екран за навигационни системи.
Има три бензинови двигателя с обем - 2.0, 3.0 (l4) и 4.0 (l6) литра с мощност 181, 249 и 355 к.с. Дизел два - с обем 2.0 (l4) и 3.0 (l6) литра с мощност 187 и 261 к.с. Скоростна кутия 8-степенна автоматична ZF 8HP.