Zu dem ersten Modell BMW 501 mit Sechszylinder-Reihenmotor und 2 Li-tern Hubraum kam 1954 der BMW 502 hinzu, der von dem ersten nach dem Zweiten Weltkrieg neu konstruierten Achtzylindermotor angetrieben wurde. Diese Ausführung wurde 1955 durch eine 3,2-Liter-Version für den BMW 502 ergänzt. Die Leistung betrug 120 PS und wurde 1957 auf 140 PS angehoben. Eine weitere Leistungssteigerung auf 160 PS erfuhr der 3,2-Liter-V8 1961 im BMW 3200 S.

Die repräsentativen Fahrzeuge waren für die Nachkriegszeit mit Preisen zwischen 11.500 DM (501, Stand: Juli 1956) und rund 22.000 DM (3,2 Liter Super, 1960–1963) sehr teuer, sodass in der knapp zwölfjährigen Bauzeit nur wenig mehr als 23.000 Einheiten abgesetzt wurden, einschließlich ca. 280 Cabriolets und Coupés mit Karosserien von Baurin Stuttgart und Autenrieth in Darmstadt.

Feuerwehren und die Polizei fuhren den BMW 501/502 als Einsatz- bzw. Streifenwagen (bekannt aus der Fernsehserie „Funkstreife Isar 12“ mit Wilmut Borell und Karl Tischlinger).

Die prestigeträchtigen, aber verlustbringenden BMW-Achtzylinder-Modelle 502/503/507 waren mit ein Grund dafür, dass Ende der 1950er Jahre BMW beinahe von seinem damaligen Hauptkonkurrenten Daimler-Benz übernommen worden wäre. Dies konnte verhindert werden da der Industrielle Herbert Quandt mit seinem beträchtlichen finanziellen und persönlichen Engagement einen großen Anteil an der Sanierung von BMW hatte.