BMW stellte die Coupé-Version 502 auf dem Genfer Autosalon 1954 vor, mit dem Ziel, eine sportlichere Variante des Vorgängermodells 501 zu schaffen.
Obwohl dieses neue Coupé-Modell Chassis und Karosserie mit dem 501 teilte, war es ursprünglich mit einem innovativen 2,6-Liter-V8-Motor (aus Leichtbaukomponenten) ausgestattet, der 100 PS leistete. Der Motor war mit einem 4-Gang-Schaltgetriebe gekoppelt. Später wurde eine 3,2-Liter-Variante dieses V8-Aggregats als Option eingeführt, die einen neuen Leistungsstandard von 120 Meilen pro Stunde setzte. Der Motor des 502 war das erste V8-Triebwerk der Nachkriegszeit.
Das Fahrgestell des Autos war robuster und bot bessere Werte in Bezug auf Front-/Seitenkollision, während der Kraftstofftank so positioniert war, dass er die Explosionsgefahr im Falle eines Unfalls minimierte. Weitere Unterschiede zum Modell 501 waren die äußeren Chromleisten und das Innendesign sowie die offensichtliche zweitürige Coupé-Form, serienmäßige Merkmale wie einzelne Vordersitze und Nebelscheinwerfer.
Der BMW 502 verzeichnete aufgrund seines erhöhten Preises, der etwa das Vierfache des durchschnittlichen Gehalts in Deutschland betrug, geringe Verkaufszahlen. Sowohl der 501 als auch der 502 erhielten aufgrund ihres fließenden Designs den Spitznamen „Barockengel“.
Das Coupé und die Cabriolet-Modelle wurden von Baur entworfen, einem angesehenen Karosseriebauer, der die Standards von BMW bereits kannte, da er sich seit 1930 mit den BMW Cabriolets befasste.
Sowohl die Modelle 501 als auch 502 wurden 1958 eingestellt und in BMW 2.6 bzw. BMW 2.6 Luxus umbenannt.