Les moteurs utilisés au départ (jusqu'à la gamme XB de 2002) proviennent de la gamme Sportster Harley-Davidson.
À partir de la gamme XB, le moteur devient spécifique à Buell, même s'il reprend l'architecture initiale du moteur Sporster Harley.
Fin 2007, Buell se tourne vers le motoriste Rotax pour produire le moteur à refroidissement liquide qui équipe la 1125R.
Le but recherché en adoptant ces motorisations est d'obtenir un grand plaisir de pilotage et des sensations, plus qu'une recherche de puissance pure et d'efficacité face au chronomètre.
Les Buell sont aussi réputées pour utiliser des procédés techniques originaux et innovants (repris ensuite par les grands constructeurs japonais) dont l'optique générale est d'obtenir une centralisation poussée des masses, et de diminuer le poids non suspendu :
le pot déchappement est logé sous le moteur et non le long de la roue arrière
le frein avant est monodisque de grand diamètre
Et, depuis les modèles XB :
le cadre fait office de réservoir d'essence
le bras oscillant contient l'huile moteur
le disque de frein avant est fixé à la périphérie de la jante, ce qui permet, par rapport à un ensemble double disque, de gagner 3 kg pour une puissance de freinage équivalente.