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新型ムルシエラゴLP640のエンジンは、大幅な変更を受け、性能が向上しています。
拡大されたボアと延長されたストロークにより、この定評ある60度V型エンジンの排気量は6.2リッターから6.5リッター（6,496cc）へと増加しました。従来でも580hpを絞り出していたこのエンジンは、変更によって8,000rpmで640hp（471kW）を生み出します。
この12気筒エンジンの最大トルクは、6,000rpmで660Nmです。もちろん、ランボルギーニ・ムルシエラゴLP640は、欧州および北米各国の排出ガス基準に適合しています。この「進化的前進」は、あらゆるエンジン･コンポーネントの体系だった見直しによって実現したものです。
シリンダヘッドと（定評あるランボルギーニ可変ジオメトリ・システムを採用した）吸気システム全体は、全面的に変更を行いました。クランクシャフト、カムシャフト、エキゾーストシステムも進化しています。パワーが向上したことにより、その走行性能も当然の如く高まりました。
ムルシエラゴLP640の0〜100km/h加速はわずか3.4秒で、前モデルより0.4秒も速くなっています。
ランボルギーニ社のエンジニアは、トルク特性についても取り組みました。このエンジンの「ドライバビリティ」は、無段階可変タイミング・システム（インテーク、エキゾースト両側）と、ドライブバイワイヤ・エンジン・マネジメント・システムによって高められています。エンジンがより高出力化することにより、放熱面の要件も増加したため、エンジニアはより大型のエンジン･オイルクーラーが必要と判断し、車両左側面にあるエアインテークを拡大しました。
ランボルギーニVACSシステム（バリアブル･エアフロー・クーリング・システム）を備えた水冷システムは従来と同様で、最高の空力特性を確保するために外気温とクーリング･エアーの必要性に応じて、エアインレットが電子的に開閉されます。