Veyron er utstyrt med en W16-motor – 16 sylindre i fire rekker à fire sylindre, eller tilsvarende to smale V8-motorer koblet sammen i en V-konfigurasjon. Hver sylinder har fire ventiler, totalt 64, men den smale V8-konfigurasjonen tillater to kamaksler å drive to sylinderrekker, slik at kun 4 kamaksler er nødvendig. Motoren får luft fra fire turboladere, og sylindervolumet er 8,0 liter (7 993 ccm) med en boring på 86 mm og en slaglengde på 86 mm.