Konstrukcja samochodu CTS powstała na całkowicie nowej platformie koncernu General Motors znanej pod nazwą Sigma. Trzybryłowe nadwozie o długości przekraczającej 4,8 m powodowało zaliczenie tego pojazdu do klasy średniej w USA, ale w Europie zaliczano go do segmentu rynkowego E. Zewnętrzna forma nadwozia charakteryzowała się ostrymi krawędziami, gdyż projektanci nawiązali do modelu studialnego z 1999 roku o nazwie Evoq. Przednie i tylne lampy zabudowano w układzie pionowym.

Zdecydowano się na tradycyjne rozwiązania mechanizmów. Stosowano tylko widlaste silniki benzynowe i napęd na koła tylne. Początkowo były to silniki w układzie V6 o pojemności skokowej 2,6 lub 3,2 dm³. Silniki te były łączone z automatycznymi lub mechanicznymi skrzyniami przekładniowymi o pięciu biegach. Przednie i tylne koła pojazdu były zawieszone niezależnie.

W 2004 roku wprowadzono większy i mocniejszy silnik o pojemności 3,6 dm³, a nieco później pojawiła się nowa mniejsza jednostka o pojemności 2,8 dm³. Nowa była także sześciobiegowa mechaniczna skrzynia przekładniowa.

Również w 2004 roku wprowadzono na rynek usportowioną wersję tego modelu noszącą oznaczenie CTS-V. Do jej napędu zastosowano potężny silnik w układzie V8 pochodzący ze sportowego Chevroleta Corvette. W przekazywaniu napędu na koła tylne pośredniczyła mechaniczna skrzynia przekładniowa o sześciu biegach.

Zakończenie produkcji samochodów rodziny CTS pierwszej generacji nastąpiło w 2007 roku.