Im Herbst 2001 kam die erste Generation der M-Klasse in modellgepflegter Form auf den Markt. Mehr Sicherheit, mehr Dynamik und noch mehr Fahrspaß - so hatten die wichtigsten Ziele bei der Weiterentwicklung gelautet. Design, Innenraum, Technik und Serienausstattung des attraktiven und sehr erfolgreichen Allradautomobils hatte Mercedes-Benz deutlich aufgewertet und dabei auf die Wünsche der Kunden noch besser abgestimmt. Insgesamt wurden im Rahmen der umfassenden Modellpflege mehr als 1.100 Bauteile neu entwickelt oder modifiziert.
Die M-Klasse des Modelljahrgangs 2002 unterschied sich bereits auf den ersten Blick von ihrem Vorgänger: Die neu gestalteten Stoßfänger an Front- und Heckpartie betonten den dynamisch-kraftvollen Charakter des Allradautomobils noch stärker, während die neuen Scheinwerfer in moderner Klarglas-Optik und die aerodynamisch geformten Gehäuse der Außenspiegel mit den integrierten Blinkleuchten zusätzliche Eleganz in das Erscheinungsbild brachten. Alle Anbauteile der Karosserie - Stoßfänger, Seitenschutzleisten und Außenspiegelgehäuse - waren nun auch beim ML 270 CDI und beim ML 320 in Wagenfarbe lackiert.
Neue serienmäßige Leichtmetallräder im 17‑Zoll-Format und so genannte All-Season-Breitreifen in den Dimensionen 255/60 R 17 (für Fünf- und Sechszylindermodelle) sowie 275/55 R 17 (für Achtzylindertypen) verstärkten die dynamische Komponente des Designs auch in der Seitenperspektive.
Im Innenraum der M-Klasse machte eine neu gestaltete Mittelkonsole auf sich aufmerksam, die in allen Modellvarianten durch serienmäßige Edelholz-Zierteile aufgewertet wurde. Die neue Mittelkonsole bot unter anderem zusätzliche Ablagefächer zwischen den Vordersitzen sowie für die Fondpassagiere einen weiterentwickelten Doppel-Cupholder, einen beleuchteten Aschenbecher, eine 12-Volt-Steckdose und neue, individuell einstellbare Belüftungsdüsen.
Die serienmäßige Klimatisierungsautomatik der M-Klasse wurde komplett neu entwickelt und mit modernster Technik ausgestattet. Formschöne Bedienungsregler mit integrierten Tasten für Automatikmodus, Umluftregelung und andere Funktionen erleichterten die Einstellung des leistungsfähigen Systems, das nun dank eines Zusatzgebläses und separater Belüftungsdüsen auch eine wunschgerechte Klimatisierung des Fonds ermöglichte.
Mit ihrem elektronisch gesteuerten Allradantrieb 4ETS bewährte sich die M-Klasse als Automobil für alle Fahrbahnverhältnisse. Zwei neue, leistungs- und drehmomentstarke V8-Motoren verbesserten das Fahr-Erlebnis auf befestigten oder unbefestigten Wegen über das bereits erreichte hohe Niveau hinaus. Beide Triebwerke stammten aus der S-Klasse: der Vierliter-Dieselmotor mit 184 kW (250 PS) und der Fünfliter-Ottomotor mit 215 kW (292 PS).
Im neuen Modell ML 400 CDI präsentierte Mercedes-Benz 2001 einen der leistungsstärksten Dieselmotoren der Welt. Der mit Common-Rail-Direkteinspritzung, Biturbo-Aufladung und Vierventiltechnik ausgestattete Achtzylinder-Diesel des neuen Typs beschleunigte das Allradautomobil in nur 8,1 Sekunden von 0 auf 100 km/h, ermöglichte eine Höchstgeschwindigkeit von 213 km/h und begnügte sich im NEFZ-Fahrzyklus mit nur 10,9 Liter Dieselkraftstoff je 100 Kilometer. Ein kraftvolles Drehmoment von 560 Newtonmeter, das schon ab 1700/min abrufbereit war, sorgte für vorbildliche Elastizität und schnelle Zwischenspurts. Das Tankvolumen vergrößerte sich bei allen Motorvarianten der M-Klasse auf 83 Liter, sodass der ML 400 CDI mit einer Tankfüllung rund 840 Kilometer weit fahren konnte.
Noch bessere Fahrleistungen bot der ebenfalls neue ML 500, der den bisherigen ML 430 ablöste. Sein 215 kW (292 PS) starkes V8-Triebwerk entwickelte ab 2700/min ein Drehmoment von 440 Newtonmeter und beschleunigte die M-Klasse in nur 7,7 Sekunden von 0 auf 100 km/h. Die Höchstgeschwindigkeit des neuen ML 500 betrug 221 km/h. Äußerlich waren die neuen V8-Modelle der M-Klasse an dezenten Chrom-Zierleisten auf den Lamellen der Kühlermaske, an den Türgriffen und am Griff der Heckklappe sowie an ihrem eigenständigen Felgen-Design zu erkennen.
Das Topmodell ML 55 AMG mit dem 255 kW (347 PS) starken V8-Hochleistungstriebwerk betonte seine herausragende Position im Modellprogramm der M-Klasse durch einen Silber lackierten Kühlergrill noch stärker als zuvor. Neben den beiden neuen V8-Modellen ML 400 CDI und ML 500 sowie dem ML 55 AMG standen für die M-Klasse auch weiterhin der Fünfzylinder-Dieselmotor des ML 270 CDI und das V6-Benzintriebwerk des ML 320 zur Auswahl.
Mit serienmäßigen Windowbags, die sich beim Seitenaufprall in Sekundenbruchteilen wie ein Vorhang vor den Innenseiten der Seitenscheiben entfalten, bot die modellgepflegte M-Klasse einen noch besseren Insassenschutz. Die rund 200 Zentimeter langen und 50 Zentimeter hohen Luftsäcke ergänzten die Schutzwirkung der Sidebags in den Türen.
Für mehr Fahrsicherheit sorgten auch neuartige Bi-Xenon-Scheinwerfer, wie sie zuvor bereits in den Coupés der CL-Klasse zum Einsatz gekommen waren. Dank Gasentladungslampen erzeugten diese Scheinwerfer einen doppelt so hohen Lichtstrom wie herkömmliche Halogen-Lampen und garantierten sowohl beim Abblendlicht als auch beim Fernlicht eine noch bessere Fahrbahnausleuchtung. In Verbindung mit diesen Bi-Xenon-Scheinwerfern wurde die M-Klasse mit einer sensorgesteuerten, dynamische Leuchtweitenregulierung und einer Hochdruck-Reinigungsanlage für die transparenten Abdeckungen der Frontscheinwerfer ausgestattet.
Auch die modellgepflegte M-Klasse hatte einen speziellen Lichtsensor an der Frontscheibe, der bei Dunkelheit automatisch die Außenbeleuchtung einschaltete. Dieser so genannte Fahrlicht-Assistent gehörte zur Serienausstattung des Allradautomobils. Die Einparkhilfe PARKTRONIC stand der M-Klasse ab dem Modelljahr 2002 auf Wunsch nun ebenfalls zur Verfügung.
Im Frühjahr 2002 präsentierte Mercedes-Benz für Deutschland und die Schweiz ein neues Sondermodell der M-Klasse, die auf 550 Exemplare limitierte Edition „Exclusive". Das Sondermodell zeichnete sich unter anderem durch ein hochmodernes Multimedia-Unterhaltungssystem für die Fondpassagiere, CD-Wechsler, Bose-Soundsystem, Sportsitze für Fahrer und Beifahrer sowie attraktive 18-Zoll-Leichtmetallräder mit Breitreifen des Formats 285/50 R 18 aus. Die M-Klasse „ Exclusive" gab es von den V8-Typen ML 500 und ML 400 CDI. Äußerlich waren die Sondermodelle an den Plaketten mit der Aufschrift „Exclusive" auf Fahrer- und Beifahrertür zu erkennen. Metallic-Lackierung, eine in hellem Silber lackierte Kühlermaske mit den dezenten Chromeinlagen, ein elektrisch betätigtes Schiebe-Hebedach in Glasausführung sowie dunkel getönte Scheiben im Fondbereich und in der Heckklappe waren weitere Merkmale der serienmäßigen Ausstattung.
Das Volumenmodell ML 320, mit dem 1997 die Produktion der M-Klasse begonnen hatte, wurde im Dezember 2002 vom ML 350 abgelöst, der mit einer hubraumgrößeren und leistungsstärkeren Ausführung des V6-Motors M 112 ausgerüstet war. Bei einem Hubraum von 3,7 Liter leistete das neue Modell 173 kW (235 PS); das Drehmoment erhöhte sich um gut 10 Prozent auf 345 Newtonmeter.
Ende 2002 erschien auch das Sondermodell „Inspiration" der M-Klasse, das unter anderem in Form des neuen ML 350 zu haben war. Zur Ausstattung dieser limitierten Ausführung gehörten Leichtmetallräder im 17-Zoll-Format, Breitreifen der Größe 275/75 R 17, die silberlackierte und chromverzierte Kühlermaske des Spitzentyps ML 55 AMG und ein in Wagenfarbe lackiertes Lufteinlassgitter im vorderen Stoßfänger. Für die Lackierung der Karosserie standen die Metallic-Farben Brillantsilber, Obsidianschwarz, Schwarz, Tansanitblau oder Travertinbeige zur Auswahl. Im Innenraum dominierte anthrazitfarbenes Leder mit hellgrauen Ziernähten auf den vorderen AMG-Sportsitzen, den Türverkleidungen, dem Lenkrad, der Armauflage zwischen den Vordersitzen und dem Schalthebelknauf. Schwarz gefärbte Pappelholz-Zierteile aus dem designo-Programm von Mercedes-Benz, Fußmatten mit „Inspiration"-Emblem und hellgrauen Ziernähten sowie dezente Chromringe an den mit weißen Zeigern ausgerüsteten Rundinstrumenten des Cockpits rundeten die anspruchsvolle Innenausstattung des Sondermodells ab.
Die M-Klasse der Baureihe 163 wurde im Frühjahr 2005 von den vollkommen neu entwickelten Nachfolgemodellen der Baureihe 164 abgelöst, die ebenfalls im Werk Tuscaloosa gebaut wurden. Die Produktion der ersten Generation der M-Klasse war dort im Dezember 2004 nach insgesamt 647.738 gebauten Exemplaren zu Ende gegangen. Diese Gesamtstückzahl enthält auch 77.095 Fahrzeuge, die zwischen 1999 und 2002 zusätzlich, zusammen mit der G-Klasse in Graz produziert wurden. Meistgebautes Modell war der ML 320, der es auf 282.614 Fahrzeuge oder gut 43 Prozent der Gesamtproduktion brachte.