Vier Jahre nach Präsentation des Energiekonzepts kam ein umfangreiches Modellpflegepaket zum Einsatz, so daß im September 1985, wiederum auf der IAA in Frankfurt, ein komplett überarbeitetes Typenprogramm der S-Klasse vorgestellt wurde. Neben einem dezenten Facelifting, das primär die Stoßfänger, den Flankenschutz und die Räder betraf, stand vor allem eine Umstrukturierung der Motorenpalette im Vordergrund.
Zwei neu konstruierte Sechszylinder-Aggregate, die in der Mittelklasse-Baureihe W 124 neun Monate zuvor ihren ersten Auftritt hatten, ersetzten den altbewährten 2,8-l-dohc-Motor M 110: Anstelle der Vergaser-Ausführung kam nun ein 2,6-l-Einspritzer zum Einsatz, während das parallel entwickelte 3,0-l-Aggregat die Nachfolge der Einspritzer-Variante des M 110 antrat. Neu im Programm war auch ein 4,2-l-V8-Motor, der durch Aufbohren des 3,8-l-Aggregats entstanden war und dieses nun in der S-Klasse Limousine, im SEC-Coupé und im SL ablöste. Den 5,0-l-Motor hatte man ebenfalls modifiziert; er war jetzt mit elektronischer Zündanlage und der elektronisch-mechanisch gesteuerten Einspritzanlage Bosch KE-Jetronic ausgerüstet und entwickelte eine Leistung von 245 PS.
Die spektakulärste Neuheit in der Motorenpalette stellte ein 5,6-l-Achtzylinder dar, der aus dem 5,0-l-V8 durch Verlängerung des Hubs entwickelt worden war und eine Leistung von 272 PS mobilisierte. Auf Wunsch gab es sogar noch eine höherverdichtete Ausführung, die stolze 300 PS entfaltete, jedoch nicht mit einer geregelten Abgasreinigungsanlage kombiniert werden konnte. Aber auch ohne Katalysator erfüllte diese sogenannte "ECE-Version" die von der Europäischen Wirtschaftskommission ECE festgelegten Abgasgrenzwerte. Die mit dieser Motor-Variante ausgerüsteten Typen 560 SEL und 560 SEC waren zum Zeitpunkt ihres Erscheinens die leistungsstärksten bis dahin gebauten Mercedes-Benz Serien-Pkws.
Für alle Varianten der überarbeiteten Modellpalette mit Ausnahme der Typen 560 SEL und 560 SEC in ECE-Version stand auf Wunsch eine geregelte Abgasreinigungsanlage mit Dreiwege-Katalysator zur Verfügung. Serienausführung war jeweils die sogenannte "RÜF-Version", bei der das Fahrzeug ohne Katalysator und Lambdasonde, aber mit dem multifunktionalen Gemischaufbereitungs- und Zündsystem ausgeliefert wurde. Eine Nachrüstung mit dem geregelten Katalysator konnte bei einem "Rückrüstfahrzeug" jederzeit und ohne Probleme vorgenommen werden. Diese Regelung gestattete dem Kunden größtmögliche Flexibilität, den Zeitpunkt der Umrüstung betreffend - in Anbetracht der seinerzeit noch nicht flächendeckenden Versorgung mit bleifreiem Kraftstoff ein nicht unerheblicher Vorteil. Ab September 1986 gehörte der geregelte Katalysator bei allen Mercedes-Benz Pkw-Modellen mit Otto-Motor zur Serienausstattung; die Rückrüstfahrzeuge waren - mit entsprechendem Preisabschlag - bis August 1989 auf Wunsch weiterhin lieferbar.
Mit Einführung des neuen Typenprogramms wurde auch das Diesel-Modell, das nach wie vor ausschließlich dem Export in die USA vorbehalten war, durch eine geänderte Variante ersetzt. Der neue Typ 300 SDL präsentierte sich mit dem vergrößerten Raumangebot der verlängerten Version und hatte einen völlig neu konstruierten Motor erhalten. Dieser basierte auf dem von der Mittelklasse-Baureihe 124 bekannten 3,0-l-Sechszylinder-Aggregat, war aber wiederum mit einem Turbolader ausgerüstet. Der Sechszylinder-Turbodiesel mobilisierte nun 150 PS - 60 PS mehr als die Basisversion ohne Aufladung und fast 30 PS mehr als der Fünfzylindermotor des Vorgängermodells.
Am Fahrwerk der modellgepflegten Typen waren erwartungsgemäß keine grundlegenden Änderungen zu verzeichnen. Allerdings hatte man einige Details der Hinterachskonstruktion modifiziert, um Fahrkomfort und Laufruhe weiter zu verbessern. Außerdem waren alle Modelle der Baureihe 126 nun mit 15 Zoll-Rädern und dementsprechend größeren Bremsen ausgerüstet. Das Design der auf Wunsch lieferbaren Leichtmetallräder, die nur beim 560 SEL und 560 SEC zur Serienausstattung gehörten, hatte man aktualisiert und der Kompaktklasse- und Mittelklasse-Baureihe angepaßt.
Die übrigen stilistischen Änderungen, die den verbesserten Modellen der Baureihe 126 zuteil geworden waren, hatten nicht nur der Aktualisierung des Designs gedient, sondern waren auch aus handfesten technischen Gründen erfolgt. Durch tiefer herabgezogene Schürzen konnte der Auftrieb vorn weiter verringert und die Luftabströmung hinten verbessert werden. Dadurch gelang es, die Fahrstabilität bei schneller Fahrweise nochmals zu erhöhen, ein Aspekt, der vor allem im Hinblick auf die Fahrleistungen des neuen Topmodells 560 SEL von Bedeutung war.
Die seitlichen Schutzleisten waren nun glattflächig gestaltet und nicht mehr wie bisher mit Rillen versehen; wie das Stoßfängersystem reichten sie jetzt weiter herab und umfaßten zusätzliche Längsträger-Verkleidungen. Da die 5,6-l-Typen im Unterschied zu ihren weniger leistungsstarken Schwestermodellen serienmäßig mit breiteren Reifen der Dimension 215/65 VR 15 ausgerüstet wurden, hatte man Bugschürze und Kotflügelwulst in der Form geändert, um an den Vorderrädern den nötigen seitlichen Freigang zu erzielen.
Im September 1987, als der S-Klasse ungewohnt scharfer Ostwind in Gestalt des BMW 750 i entgegenblies, wurden leistungsgesteigerte Varianten aller V8-Motoren eingeführt. Die Verdichtung hatte man in allen Fällen auf 10 erhöht, und mit flankierenden Maßnahmen konnte die Leistung je nach Modell um 6 bis 10 % gesteigert werden. Noch deutlicher fiel der Effekt bei den katalysatorbestückten Varianten aus; durch Optimierung der Abgasreinigungsanlage war es gelungen, die vom Katalysator verursachten Leistungsverluste deutlich zu reduzieren. Die ECE-Version des 5,6-l-V8 konnte ersatzlos entfallen, nachdem die RÜF-Ausführung infolge der Leistungskur nun auch 300 PS mobilisierte.
Im September 1988 ergänzte der auf dem Pariser Automobil-Salon präsentierte Typ 560 SE die Modellpalette der Baureihe 126; damit war der 5,6-l-Motor auch in der Limousine mit normalem Radstand lieferbar.
Ab April 1990 (Vorserie Juni 1989) wurde eine neue Variante mit Dieselmotor produziert, die auch weiterhin nur für den Export nach USA lieferbar war. Die Fertigung des seitherigen 300 SDL war bereits im September 1987 ausgelaufen. Der Typ 350 SDL hatte einen neu entwickelten 3,5-l-Sechszylindermotor, den man aus dem bewährten 3,0-l-Aggregat durch Aufbohren und Verlängerung des Hubs entwickelt hatte. Der neue Turbodiesel war mehr auf Drehmoment denn auf Leistung ausgelegt und mobilisierte mit Abgasrückführung und Oxidationskatalysator trotz des größeren Hubraums 14 PS weniger als sein Vorgänger. Mit 136 PS war der 350 SDL aber durchaus angemessen motorisiert, insbesondere unter Berücksichtigung des allgemein geltenden Tempolimits; das maximale Drehmoment konnte um fast 15 % gesteigert werden und stand schon bei 2000 /min zur Verfügung. Ab Juni 1990 war dann neben dem 350 SDL zusätzlich auch der 350 SD mit normalem Radstand lieferbar.
Wie bereits bei der Vorgänger-Baureihe 116 praktiziert, wurde auch von den Achtzylindermodellen der Typenreihe 126 eine sondergeschützte Ausführung angeboten. Die Schutztechnik konnte durch intensive Entwicklungsarbeit weiter perfektioniert werden. Insgesamt wurde die stattliche Zahl von 1.465 Exemplaren produziert.
Als Nachfolger der Baureihe 126 wurden im März 1991 auf dem Genfer Automobil-Salon acht Limousinen der Typenreihe 140 vorgestellt. Obwohl die Serienfertigung der neuen Modelle bereits einen Monat später begann, wurde auch die Produktion der 126er Limousinen für den Export noch einige Zeit aufrecht erhalten. Die Fertigung der meisten Varianten endete zwischen August und Oktober 1991, die letzten Exemplare in Sonderschutz-Ausführung wurden dagegen erst im April 1992 fertiggestellt. Insgesamt hatten innerhalb des 12jährigen Produktionszeitraums 818.036 Limousinen die Produktionshallen in Sindelfingen verlassen, davon 97.546 mit Dieselmotor. Die Typenreihe 126 stellte damit die erfolgreichste Oberklasse-Baureihe in der Geschichte des Unternehmens dar.
