Druga generacja samochodów X3 miała oficjalny debiut jesienią 2010 roku. Zdecydowano się na zmianę miejsca produkcji i przeniesiono ją do amerykańskiej fabryki BMW w Spartanburgu.

Zachowano dotychczasową ogólną koncepcję tego modelu, ale zwiększono jego wymiary. Rozstaw osi powiększono o 1,5 cm, natomiast długość całkowita wzrosła o około 8 cm. Korekta kształtów nadwozia poprawiła nieco cechy aerodynamiczne, wzrosła też przestrzeń wnętrza i powiększono bagażnik.

W gamie jednostek napędowych były zarówno silniki o sześciu, jak i o czterech cylindrach. Pojemność skokowa większych jednostek wynosiła 3,0 dm3, a mniejszych 2,0 dm3. Nowością w tej rodzinie była automatyczna skrzynia przekładniowa o ośmiu biegach.

W marcu 2012 roku w modelu xDrive 28i w miejsce wolnossącego silnika sześciocylindrowego zastosowano doładowany silnik czterocylindrowy.

Jesienią 2014 roku przeprowadzono modernizację samochodów rodziny X3. Po face-liftingu zmieniły się kształty zderzaków, charakterystycznego wlotu powietrza, a także przednie lampy. W lusterkach bocznych zamontowano kierunkowskazy. Silniki dostosowano do wymagań ekologicznej normy Euro6.