Автомобиль, получивший обозначение ATS-V.R, оснастили модернизированной 3,6-литровой твин-турбо «шестеркой» от седана CTS Vsport. Мощность мотора увеличили с 425 до 600 лошадиных сил, а максимальный крутящий достигает 705 Нм. Это стало возможным благодаря установке двух новых турбонагнетателей BorgWagner, более производительных интеркулеров, гоночных систем впуска и выпуска, а также перепрограммированию электронного блока управления двигателем.
Для снижения веса Cadillac ATS-V.R получил карбоновые капот, крышку багажника и двери, а также аэродинамический обвес из углепластика, включающий передний сплиттер, задний диффузор и боковые «юбки». В результате масса автомобиля составила всего 1315 кг. Машина обладает практически идеальной развесовкой по осям (49/51) за счет установки 6-ступенчатой секвентальной коробки передач Xtrac в блоке с задним дифференциалом.
Гоночный болид получил в свое распоряжение каркас безопасности, 6-поршневые тормозные механизмы Brembo, регулируемые амортизаторы, 120-литровый топливный бак, 18-дюймовые колесные диски BBS с гоночными «сликами», гоночное кресло с шеститочечными ремнями безопасности и прочие аксессуары.