Le BMW 801 est un moteur radial en double étoile à quatorze cylindres. À part ce changement dans le nombre de cylindres par rapport à son ancêtre, le BMW 139, reprend majoritairement la technologie de ce dernier. L'alimentation et l'échappement de ses cylindres reste à deux soupapes actionnées par des bras basculants et des tiges, leur renvoi est assuré par trois ressorts, alors qu'une bonne partie des moteurs de l'époque en adoptaient quatre. Certaines de ses caractéristiques sont cependant très modernes, par exemple l'emploi de soupapes refroidies au sodium, et d'un système d'injection plutôt qu'un carburateur. Une autre prouesse technologique est son système de gestion automatique, appelé kommandogeraet (dispositif de commande), un véritable ordinateur électromécanique qui gère de façon automatisée tous les paramètres du moteur en fonction de l'altitude: le débit de carburant, le pas de l'hélice, la vitesse du compresseur, l'avance d'allumage et la composition du mélange. Le pilote n'a plus qu'une seule manette commandant globalement le moteur, au lieu de trois généralement, ce qui simplifie grandement le pilotage surtout en combat. Le pilote pouvait néanmoins prendre le contrôle manuel pour le pas de l'hélice sans que cela n'affecte la gestion des autres paramètres. Le refroidissement du moteur a été particulièrement bien soigné et rendu extrêmement compact, en particulier grâce au ventilateur en alliage de magnésium qui tourne 1,72 fois plus vite que le régime moteur. Le radiateur et le réservoir d'huile sont situés dans l'anneau frontal, sur l'avant du moteur. L'allumage est assuré par deux magnétos Bosch ZM 14 et deux bougies à deux électrodes de diamètre 14 mm, du modèle Bosch DW 240 ET 7 ou Siemens 35 FU 14.
Les moteurs étaient généralement livrés prêts à monter dans leurs capots, prêt à être boulonnés sur les avions, selon un ensemble désigné Motoranlage, puis à partir de 1944, Triebwerksanlage. Le changement de dénomination correspond en fait à l'inclusion d'accessoire auparavant fournis à part comme les pipes d'échappement.
L'appellation de ces ensembles provoque beaucoup de confusion sur les versions du BMW-801 car, si elle est logique pour certaines versions comme les BMW 801A livrés dans les ensembles BMW 801MA, elle peut prêter à confusion pour d'autres modèles comme par exemple, le BMW 801D-2 livré dans l'ensemble BMW 801MG. L'introduction des Triebwerksanlage ajoute encore à la confusion car les désignations sont encore moins logiques, les BMW 801E étant livrés dans les BMW 801TG et TH, et l'emploi erroné de la lettre T pour désigner les versions à turbocompresseur.