Il motore a 4 cilindri in linea di 1.000 cc della CBR1000RR-R Fireblade è completamente nuovo e progettato in collaborazione con il team di ingegneri HRC autori della MotoGP RC213V. Genera una potenza massima di 217,5 CV a 14.500 giri/min, e una coppia massima pari a 113 Nm a 12.500 giri/min. Questo propulsore presenta le stesse misure ‘superquadre’ di alesaggio e corsa pari a 81 x 48,5 mm della RC213V-S (sulla precedente erano 76 x 55 mm), si tratta della misura di alesaggio maggiore tra le supersportive di 1.000 cc con motore a 4 cilindri in linea. Il rapporto di compressione è pari a 13:1. Le valvole di aspirazione hanno un diametro di 32,5 mm e quelle di scarico di 28,5 mm, e sono ora azionate da bilancieri a dito (anziché a bicchierino), fattore che riduce il peso inerziale del 75% circa. L'attrito è ridotto ulteriormente grazie al rivestimento DLC (Diamond Like Carbon) sui lobi delle camme, proprio come sulla RC213V‑S. È la prima volta che questo processo viene utilizzato su una moto prodotta in serie e determina una riduzione del 35% delle perdite per attrito della distribuzione rispetto a un sistema tradizionale. Per ridurre la flessione dell'albero motore (dovuta all'inerzia della rotazione e all'energia prodotta dalla combustione), i perni di banco sono più grandi e lo spessore delle pareti del basamento è stato ottimizzato in funzione di sollecitazioni e peso.
Il nuovo sistema di distribuzione (in corso di brevettazione) è misto catena-ingranaggi. Per sopportare i valori estremi di alzata valvole e regime di rotazione la catena viene azionata dall'ingranaggio di fasatura posizionato sull'albero motore e fa girare l’ingranaggio intermedio che dà il movimento a quelli di azionamento degli alberi a camme. Si riduce così la lunghezza della catena.
Le bielle realizzate integralmente in titanio TI-64A forgiato (un materiale sviluppato da Honda), consentono di risparmiare il 50% del peso rispetto ad analoghi componenti in acciaio al cromo-molibdeno. I piedi di biella sono serrati da bulloni in acciaio al cromo-molibdeno-vanadio HB 149 (Cr-Mo-V, anche in questo caso sviluppato da Honda) che non richiedono dadi di serraggio. Le bronzine dello spinotto sono realizzate in rame-berillio C1720-HT lucidato (materiale scelto per l'elevata affidabilità ad alti regimi), mentre le superfici delle teste di biella presentano rivestimento DLC.
I pistoni sono forgiati in alluminio A2618 (come sulla RC213V-S), e ciascun pistone è più leggero del 5% rispetto al precedente modello. I mantelli dei pistoni sono ora dotati di rivestimento Ober (base in Teflon e Molibdeno) e di una placcatura con lega nichel-fosforo per la scanalatura del fermo dello spinotto. I pistoni sono raffreddati da un getto multi‑point che spruzza l'olio in più direzioni ad ogni ciclo. Ai bassi regimi, quando ciò non è necessario, le sfere di ritegno all'interno dei getti interrompono il flusso d'olio per limitare la perdita di pressione di quest'ultimo e ridurre l'attrito. Per ridurre la distorsione dell'alesaggio (e quindi l'attrito), i cilindri sono dotati di un bypass inferiore incorporato (in corso di brevettazione). Questo sistema fa circolare l'acqua raffreddata proveniente dal radiatore nella camicia principale dei cilindri, mentre l'area sottostante utilizza acqua non raffreddata.
Il diametro dei corpi farfallati è stato aumentato da 48 a 52 mm e sono ora di forma ovale. L'angolo delle valvole di aspirazione è stato ridotto da 11° a 9°. Il volume compreso tra le valvole a farfalla e la sede delle valvole di aspirazione è stato ridotto del 13%. L'alberino che governa l’apertura delle farfalle è ora realizzato in acciaio inossidabile estremamente rigido (a differenza dell'ottone).
L’avviamento avviene mediante rotazione dell'albero primario della frizione anziché dell'albero motore. Questa soluzione (in attesa di brevetto) rende possibile l'utilizzo di un albero motore più compatto, mentre il doppio uso dell'ingranaggio conduttore primario (più piccolo e con meno denti) per trasmettere anche la rotazione del motorino di avviamento, consente di risparmiare spazio; il motore è poi più corto, grazie alla riduzione della distanza tra l'albero motore, il contralbero e gli alberi della trasmissione primaria. La parte posteriore del blocco motore funge ora anche da supporto superiore dell'ammortizzatore.