Während des siebenjährigen Produktionszeitraums werden bei den Dieselmotoren sechs Motorbaureihen angeboten, aus denen insgesamt 10 Motortypen hervorgehen. Die interne Bezeichnung von Dieselmotoren beginnt bei Mercedes-Benz mit dem Kürzel “OM” (= Oel-Motor).Die 4-Zylindermotoren werden durch die Baureihe OM 646 repräsentiert. Während der E 220 CDI vom Start weg mit sog. Lancaster-Ausgleichswellen ausgestattet ist, erhält der E 200 CDI dieses der Laufruhe dienende Bauteil erst mit der Modellpflege im Frühjahr 2006. Sowohl der E 200 CDI als auch der E 220 CDI erhalten im Rahmen der Modellpflege eine Leistungssteigerung. Und ebenfalls für beide gilt: Ein Partikelfilter ist ab 2004 gegen Aufpreis, ab Frühjahr 2005 serienmäßig lieferbar. Der Filter kann allerdings bis zur Modellpflege gegen Minderpreis abgewählt werden (trotzdem wird EU 4 erreicht). Mercedes-Benz bietet heute Filter zum Nachrüsten an. Mit dem E 220 CDI bringt die Baureihe OM 646 übrigens den einzigen Diesel-Motortyp hervor, der während des gesamten Produktionszeitraums angeboten wird, da der E 200 CDI erst 10 Monate später in das Verkaufsprogramm aufgenommen wird. Der E 220 CDI ist gleichzeitig der meist verkaufte Motortyp der E-Klasse-Baureihe 211.

Der OM 646 ist der Nachfolger des OM 611, der bis 2002 u.a. in der E-Klasse-Baureihe 210 Verwendung fand. In der E-Klasse-Baureihe 212 wird der OM 646 nicht mehr eingesetzt und stattdessen vom OM 651 abgelöst.

Der exotische 5-Zylindermotor im E 270 CDI wird durch die Baureihe OM 647 verkörpert. Ein Partikelfilter ist für den E 270 CDI nicht lieferbar; er erreicht nur EU 3. Auch hier gibt es heute Filter zum Nachrüsten. Für die Laufruhe eines Motors wird eine ungerade Zylinderanzahl im allgemeinen als hinderlich angesehen. Im Jahr 2005 wird der Verkauf des E 270 CDI eingestellt.
Vorgänger des OM 647 war der OM 612, der u.a. in der E-Klasse-Baureihe 210 angeboten wurde.

Das Angebot an 6-Zylindermotoren beginnt im Jahr 2002 mit der Baureihe OM 648. Hierbei handelt es sich um Reihen-6-Zylindermotoren, die aus dem OM 613 der E-Klasse-Baureihe 210 hervorgehen. Zunächst wird der E 320 CDI 3.2 angeboten, für den ab 2004 auf Wunsch auch ein Partikelfilter lieferbar ist. Der E 280 CDI 3.2 ist die gedrosselte Variante und wird ab 2004 in das Verkaufsprogramm aufgenommen. Er hat die gleiche Leistung wie der E 270 CDI, verfügt aber serienmäßig über einen Partikelfilter.

Im Frühjahr 2005 wird die Baureihe OM 648 durch die neuen V6-Zylindermotoren der Baureihe OM 642 ersetzt. Deren Motortypen verfügen nun allesamt serienmäßig über einen Partikelfilter, der jedoch bis zur Modellpflege gegen Minderpreis abgewählt werden kann (trotzdem wird EU 4 erreicht). Auch hier ist der E 280 CDI 3.0 die gedrosselte Variante des E 320 CDI 3.0. Im Herbst 2007 wird mit dem E 300 BLUETEC das einzige Fahrzeug der E-Klasse-Baureihe 211 nachgereicht, das bereits die EU 5-Norm erfüllt. Der E 300 BLUETEC wird nur als Limousine angeboten.Der OM 642 wird auch später in der E-Klasse-Baureihe 212 verwendet.

Auch die V8-Zylindermotoren bleiben – anders als bei den Benzinern – der Limousine vorbehalten. Es beginnt 2003 mit dem OM 628 im E 400 CDI, der bereits im Jahr 2000 in der S-Klasse-Baureihe 220 als S 400 CDI Premiere feierte. Er ist nicht nur der erste 8-Zylinder-Dieselmotor in einem Mercedes-Benz-Pkw, sondern zu diesem Zeitpunkt auch der weltweit leistungsstärkste V8-Dieselmotor in einem Serien-Pkw. Später wird sich jedoch herausstellen, dass das 5-Gang-Automatikgetriebe hin und wieder seine Probleme mit dem hohen Drehmoment von 560 Nm hat. Außerdem erreicht der E 400 CDI nur die EU 3-Norm und ist nicht mit Partikelfilter erhältlich. Folgerichtig wird er im Frühjahr 2005 aus dem Verkaufs-programm genommen.

Sein Nachfolger erscheint ein halbes Jahr später. Der OM 629 im E 420 CDI leitet sein Drehmoment von 730 Nm über die serienmäßige 7-Gang-Automatik 7G-TRONIC an die Hinterachse, was ihm die Getriebeprobleme seines Vorgängers erspart. Er wird serienmäßig mit Partikelfilter ausgeliefert und erreicht EU 4.