Pod maską CTS-V pojawi się silnik z Chevroleta Corvette ZR-1. Chodzi o ośmiocylindrową jednostkę o pojemności 6,2 l dopingowaną sprężarką mechaniczną. Cadillac CTS-V zaoferuje jednak moc „zaledwie” 415 kW (564 KM) przy 6100 obr./min i 747 Nm przy 3800 obr./min (Corvette ZR-1 - 462 kW/628 KM i 807 Nm). Tylne koła napędzane będą poprzez jedną z dwóch 6-stopniowych skrzyni biegów – manualną przekładnię Tremec TR6060 lub automat Hydramatic z możliwością sekwencyjnej zmiany biegów manetkami przy kierownicy.
Mocny silnik umożliwia rozpędzić Cadillac CTS-V od 0 do 96 km/h (0-60 mph) w 3,9 s, a ćwierć mili auto przejeżdża w czasie 12 s, przy czym przecinając linię mety mknie z prędkością 189 km/h. Przypomnijmy, że auto nie jest tylko typowym amerykańskim dragsterem do jazdy na wprost, na legendarnym odcinku Nordschleife toru Nürburgring Cadillac CTS-V uzyskał czas 7:59.32.
Cadillac CTS-V otrzymał tylną oś wielowahaczową, elektromagnetyczne amortyzatory Magnetic Ride Control i system Performance Traction Management umożliwiający maksymalne przyśpieszenie. Układ hamulcowy składa się z tarcz Brembo z 6-tłoczkowymi zaciskami z przodu i 4-tłoczkowymi z tyłu.
W odróżnieniu od cywilnych wersji CTS mocna odmiana z przydomkiem V odróżnia się także zmienioną stylistyką. Nowy jest przedni zderzak z dużym wlotem powietrza. Zmieniono także atrapę chłodnicy i maskę silnika, która z powodu instalacji jednostki LS9 jest nieco wyższa. Na bokach znajdziemy listwy progowe, a z tyłu zmieniony zderzak. W nadkolach zamontowano koła ze stopów lekkich ubrane w opony Michelin Pilot Sport w rozmiarze 255/40 ZR 19.
We wnętrzu najbardziej zauważalne są sportowe fotele Recaro i karbonowe wykończenie, które zastąpiło panele z drewna.