全新的KLR650发动机保持不变，依旧采用的是水冷式单缸发动机，排量为652cc，该发动机具有燃油喷射功能，使化油器根据海拔和气候进行喷射调整已经成为过去式。

不同的凸轮轴轮廓和改进的排气助力中档扭矩，五速变速箱以全新的离合器机构轴承，升级的三挡以及对四挡和五挡的特殊“精加工”也倍受关注。其他改进包括密封铅酸电池和“修订版”点火组件。

新的车架设计提高了车辆整体的扭转刚度，比之前版本更长的后摇臂延长了轴距，采用更坚固材料冲压而成的KLR配备在前1325px，后1075px的轮胎上运行，两个轴的直径都有所增大，这也进一步提高了刚性和耐用性，摇臂枢轴做了加厚处理，配备了较大直径的交叉钻孔制动盘，后盘则由较厚的合金冲压而成，以防止后制动拉力衰减。75px的支架有助于减少不平坦地形上车辆翻倒的几率。

在所有升级中，更符合人体工程学的设计可能是最引人注目，车把和脚踏板位置的调整让驾驶变得更为舒适，油箱形状进行了调整，使其更贴合骑士的膝盖，新的燃油泵设计增加了可用的油箱容量。

KLR650采用了全新的车身面板，使得车辆在外观上更具现代感，照明全部采用了LED光源也为它增色不少，数字化的仪表盘和长臂后视镜也让骑行时的车况和路况更易掌握。