Система охлаждения всех двигателей, устанавливаемых на BMW X5 Е53 (как бензиновых, так и дизельных) устроена по циркуляционному принципу и включает в себя такие элементы, как рубашки охлаждения блока и головки цилиндров, насос, радиатор, расширительный бачок, вентилятор с вязкостной муфтой, датчик температуры и термостат. На некоторых комплектациях BMW X5 Е53 дополнительно устанавливаются отдельные вентиляторы с электроприводом (они являются частью системы кондиционирования), а в радиаторы машин с АКПП встраивается специальный охладитель масла.