La tercera generación del BMW Serie 5, conocida como Serie 5 E34, se introdujo en 1988, marcando una evolución significativa en términos de tamaño, confort y aerodinámica. La gama de motores incluía un nuevo motor de 4 cilindros y 1,8 litros que desarrollaba 113 CV y propulsaba el modelo básico BMW 518i. Las ventas estuvieron dominadas por los motores de 6 cilindros de la familia M20, como los de los modelos 520i (2,0 litros, 129 CV) y 525i (2,5 litros, 171 CV). Las versiones tope de gama montaban los potentes motores de 6 cilindros de la familia M30, con el 530i (3.0 L, 188 CV) y el 535i (3.5 L, 211 CV). El BMW 524td, inicialmente la única versión diésel con un motor turbodiésel de 2,4 litros y 115 CV, alcanzaba velocidades cercanas a los 200 km/h.

1992 fue testigo de una serie de cambios importantes, entre ellos la introducción del modelo familiar Touring, que destacó por su elegancia, algo excepcional para este estilo de carrocería en aquella época. La sustitución del 524td por el 525tds marcó el comienzo de una nueva era en el segmento de las berlinas diesel de gama alta. El 525tds, con un motor diésel de 143 CV, alcanzaba los 205 km/h y cubría 1.000 m en 31,8 s, marcando un hito en el segmento. Le siguió el 525td, que ofrecía una potencia similar al anterior 524td. Ese mismo año, el bloque M20 fue sustituido por el nuevo bloque de 24 válvulas de la familia M50, aumentando la potencia a 150 CV para el 520i y 192 CV para el 525i. Esta mejora de potencia allanó el camino para la llegada del 525ix, equipado con tracción total.

En 1993, se reintrodujo un motor V8, lo que supuso el primer uso de un motor V8 en BMW en casi cuatro décadas. Se introdujeron los modelos 530i (3,0 litros, 218 CV) y 540i (4,0 litros, 286 CV), que sustituyeron al voluminoso bloque de 6 cilindros de la familia M30 que había aparecido a principios de la década de 1970. El BMW 540i recorría los 1.000 m en 27,6 segundos.

La Serie 5 sufrió un restyling en 1994, con una parrilla del radiador más grande y la introducción del airbag como equipamiento de serie, además de otras características modernas. Se fabricaron dos versiones deportivas notables: el M5 y el Alpina B10 Bi-Turbo.

El BMW Serie 5 E34 marcó su época por su imponente tamaño, confort, aerodinámica y variada gama de motores, desde el 518i hasta el potente modelo M5 de 315 CV. En 1991, la Serie 5 también hizo historia al introducir por primera vez un modelo familiar en la categoría media superior, ofreciendo el notable detalle de una luneta trasera que podía abrirse separadamente del portón trasero. En 1992, el BMW 525iX abrió nuevos caminos al convertirse en el primer modelo de la Serie 5 con tracción a las cuatro ruedas. La presencia de motores V8 silenciosos y potentes en los modelos 530i y 540i, y la ampliación de la gama M5 para incluir una versión Touring, también contribuyeron al éxito de la Serie 5 E34. La producción de la berlina finalizó en 1995, pero el BMW Serie 5 Touring siguió estando disponible hasta 1996, con una producción total de 1,3 millones de vehículos. La producción se extendió de 1988 a 1996, con motores de 1,8 a 4,0 litros, incluyendo configuraciones de 4, 6 y 8 cilindros, y unas dimensiones de 4.720 mm de longitud, 1.751 mm de anchura y de 1.412 a 1.421 mm de altura.