Động cơ 651cc 1 xi-lanh trang bị giảm chấn và lốp thuận tiện sử dụng cho cả đường bằng và việt dã. Do được thiết kế chắc chắn, động cơ này có thể đem lại sức mạnh không thua kem những chiếc xe nhiều xi-lanh nhưng vẫn có khả năng tiết kiệm nhiên liệu. Trang bị bình xăng lên tới 22 lít nên trục cơ sở của xe rất dài. Và để bảo vệ người điều khiển tránh khỏi áp lực của gió, cát bụi, đá... khung xe, động cơ, đầu xe và tay cầm đều được trang bị tấm bảo vệ cũng như kính chắn gió.
Nhằm giúp người điều khiển KLR 650 không phải lo lắng khi vận hành trong điều kiện đêm tối, Kawasaki đã trang bị máy phát điện 36W công suất lên tới 17A giúp chủ nhân của KLR 650 có thể yên tâm lắp đặt thêm các thiết bị dùng điện khác. Ngoài ra, KLR 650 còn có hộp chứa hành lý rất thuận tiện cho những chuyến đi việt dã.
Do môi trường làm việc của KLR 650 gian khổ hơn những chiếc xe chạy trong thành phố nên các bộ phận bên trong động cơ như xích cam, 2 trục cân bằng sẽ được điều chỉnh, từ đó giúp giảm chấn cho động cơ 1 xi-lanh. Vòng pít-tông cũng được cải thiện để nâng cao tính năng bao phủ, giảm thiểu tối đa tình trạng “ăn” dầu nhớt. Cửa thăm dầu tương đối dễ quan sát, tạo điều kiện thuận lợi cho chủ xe kiểm tra tình trạng dầu động cơ. Hệ thống khí thải ASV giúp lượng khí còn lại có thể đốt cháy một cách triệt để, sau đó mới thải ra môi trường.
Vận hành ở tốc độ thấp trong thời gian dài là hoạt động chính của chiếc xe này, cho nên hệ thống làm mát có một đặc thù nhất định. Lưới tản nhiệt, két nước làm mát của KLR 650 đặc biệt mỏng và nhẹ, được kết hợp với quát gió thiết kế đặc biệt, do vậy nước trong két không bị nhanh sôi khi KLR 650 hoạt động ở tốc độ thấp. Hơn nữa, chiếc xe còn trang bị đồng hồ đo nhiệt độ két nước, rất thuận tiện cho chủ xe khi kiểm soát tình trạng của động cơ.
Ba ưu điểm đáng được nhắc tới của KLR 650 ở đây là: giá đỡ D section ở phần đuôi thiết kế đẹp hơn so với rất nhiều chiếc xe cùng dung tích 600/750; các ống thép 4mm cung cấp đầy đủ khả năng chịu lực và tính cứng chắc; giá phụ của xe có thể thu vào thuận tiện cho chủ xe chăm sóc các bộ giảm chấn, hộp gió…
Bảng thông số kỹ thuật:
| Động cơ | 1 xi-lanh DOHC làm mát bằng nước |
| Tỉ số nén | 9.8 : 1 |
| Dung tích (cc) | 651 |
| Công suất cực đại (ml/v/ph) | 44 / 6.500 |
| Mô-men xoắn cực đại (Nm/v/ph) | 50 / 5.500 |
| Hệ thống truyền động | 5 số truyền động bằng xích |
| Góc nghiêng (độ) | 28 |
| Dài x rộng x cao (mm) | 2.295 x 960 x 1.350 |
| Chiều dài cơ sở (mm) | 1.480 |
| Tự trọng (kg) | 175 |
| Dung tích bình xăng (lít) | 22 |
