Pierwsza generacja (E83; 2003–2010)
Premiera samochodu miała miejsce we wrześniu 2003 roku na targach motoryzacyjnych we Frankfurcie. Jako prekursor X3, w 2003 roku BMW zaprezentowało pojazd koncepcyjny xActivity na Detroit Auto Show z platformą serii 3. Wszystkie modele X3 wyposażone są w napęd na wszystkie koła z rozdziałem momentu obrotowego domyślnie 40:60 pomiędzy przednią i tylną oś oraz możliwością skierowania całego momentu obrotowego na dowolną oś.
BMW zaktualizowało model w 2005 roku i przeprojektowało model w 2007 roku, wprowadzając zmiany w nadwoziu, silnikach, zawieszeniu i wykończeniu wnętrza. W ciągu siedmiu lat sprzedano około 600 tysięcy samochodów.
Było pięć modyfikacji silników benzynowych o pojemności 2,0, 2,5 i 3,0 litrów o mocy 148, 181, 215, 228 i 268 KM. Diesel sześć modyfikacji o pojemności 1,8, 2,0 i 3,0 litrów o mocy od 148 do 282 KM. Istnieją dwie opcje skrzyni biegów - 6-biegowa automatyczna lub ręczna.
Drugie pokolenie (F25; 2010–2017)
Samochód został zaprezentowany na targach motoryzacyjnych w Paryżu w 2010 roku. W przypadku drugiej generacji produkcja została przeniesiona z Austrii do amerykańskiej fabryki BMW w Greer w Południowej Karolinie, gdzie pierwszy pojazd został wypuszczony 1 września 2010 roku. Wszystkie modele wykorzystują napęd na wszystkie koła, zwany xDrive. W 2012 roku w niektórych krajach dodano model z napędem na tylne koła o nazwie sDrive. Prześwit został zwiększony o 12 mm, a rozstaw osi o 15 mm. W całym okresie wyprodukowano ponad 900 tysięcy samochodów.
Zastosowano cztery silniki benzynowe - dwa 4-cylindrowe 2,0-litrowe silniki o mocy 135 i 180 KM oraz dwa 6-cylindrowe silniki rzędowe o pojemności 3,0 litra i mocy 179 i 225 KM. Dostępne są również cztery silniki wysokoprężne - dwa 4-cylindrowe 2,0-litrowe silniki o mocy 105 i 135 KM oraz dwa 6-cylindrowe silniki rzędowe o pojemności 3,0 litrów i mocy 190 i 230 KM. W 2014 roku zaktualizowano gamę silników, objętości pozostały takie same, zwiększono moc dzięki turbodoładowaniu. Norma emisji dla wszystkich silników to Euro 5. Skrzynie biegów są dwie - sześciobiegowa manualna lub ośmiobiegowa automatyczna skrzynia biegów ZF 8HP.
W 2014 roku F25 przeszedł zmianę stylizacji. Zmiany obejmują nowe zmodyfikowane podwójne reflektory, przeprojektowaną osłonę chłodnicy, nowe przednie i tylne zderzaki, lusterka zewnętrzne ze zintegrowanymi kierunkowskazami, konsolę środkową z opcjonalną automatyczną klimatyzacją, nowe kolory nadwozia i inne drobne poprawki. Samochód został zaprezentowany na 84. Międzynarodowym Salonie Samochodowym w Genewie w 2014 roku, a później na 114. Międzynarodowym Salonie Samochodowym w Nowym Jorku w 2014 roku.
Trzecia generacja (G01; 2018 – obecnie czas)
Następna generacja będzie miała nowy projekt stworzony przez australijskiego projektanta Calvina Looka. Nowa wersja, o nazwie kodowej G01, została wprowadzona w czerwcu 2017 roku. Silnik znajduje się z przodu z napędem na wszystkie koła, ale jest też model z napędem wyłącznie na tylne koła. Samochód będzie również dostępny z hybrydowym układem napędowym.
X3 trzeciej generacji otrzyma również nowe technologie BMW 5 Series (G30), takie jak sterowanie gestami, zewnętrzne i wewnętrzne oświetlenie LED oraz najnowszy system iDrive z szerokim ekranem dotykowym dla systemów nawigacyjnych.
Trzy silniki benzynowe - 2.0, 3.0 (l4) i 4,0 (l6) litrów o mocy 181, 249 i 355 KM Diesel dwa - objętość 2.0 (l4) i 3,0 (l6) litrów o mocy 187 i 261 KM Skrzynia biegów 8-biegowa automatyczna ZF 8KM.