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Die Chassiskonstruktion des Benz 120 PS folgt bewährten Prinzipien: Unter anderem zeichnet ein Rahmen aus Pressstahlprofilen mit über der Hinterachse gekröpften Längsträgern das Fahrzeug aus, dazu kommen Federbanddämpfer an Vorder- und Hinterrädern. Der von de Groulart konstruierte Vierzylindermotor hat hängende Ventile, die über Stoßstangen und Kipphebel von einer untenliegenden Nockenwelle gesteuert werden. Die Bohrung liegt mit 154,9 Millimetern an der zulässigen Grenze, und mit einem Kolbenhub von 165 Millimetern ergibt sich ein Hubraum von 12,4 Litern.
Der erste Wagen wird im März 1908 fertig gestellt und ausgedehnten Erprobungen unterzogen. Seinen ersten Renneinsatz erlebt er am 1. Juni beim Rennen
Moskau – Petersburg über 686 Kilometer, das Victor Héméry in der Rekordzeit von 8:30:48 Stunden mit einer Durchschnittsgeschwindigkeit von 80,6 km/h als Sieger im Gesamtklassement beendet.
Schon das nächste Rennen ist die große Herausforderung, der französische Grand Prix am 7. Juli 1908 in Dieppe. Die Benz-Fahrer Victor Héméry und René Hanriot kommen hinter Christian Lautenschlager auf Mercedes als Zweiter und Dritter durchs Ziel. Teamchef Fritz Erle belegt den siebten Platz. Damit teilen sich Mercedes und Benz den Triumph über die französischen Rennteams, die von einem Heimsieg ausgegangen sind.
Eine direkte Weiterentwicklung des 120-PS-Modells ist der Rennwagen Benz 150 PS, dessen Motor durch die Verlängerung des Kolbenhubs auf 200 Millimeter nun eine Leistung von 158 PS (116 kW) bei 1500/min aus 15,1 Liter Hubraum erzielt. Der erste Renneinsatz erfolgt am 20. September 1908 beim Semmering-Rennen, wo Fritz Erle in der Klasse der Rennwagen mit mehr als acht Liter Hubraum den dritten Platz belegt. Héméry kommt im selben Rennen in der Klasse der Grand-Prix-Rennwagen auf den dritten Platz auf Benz 120 PS.
Beim Grand Prix von Amerika, der am 26. November 1908 in Savannah ausgetragen wird, geht das Unternehmen mit drei Rennwagen Benz 150 PS an den Start. Nachdem Erle wegen eines leichten Unfalls aufgeben muss, erreichen Victor Héméry und René Hanriot die Plätze zwei und vier. In den USA erzielen verschiedene Fahrer mit dem Benz 150 PS bei Sprintrennen und Rekordversuchen in den Jahren 1908 und 1909 zahlreiche weitere Erfolge. Barney Oldfield, der später durch noch spektakulärere Bestleistungen berühmt wird, erreicht am 19. August 1909 auf der kurz zuvor fertig gestellten Bahn von Indianapolis eine Höchstgeschwindigkeit von 183,4 km/h, seine Durchschnittsgeschwindigkeit bei einer Meile mit stehendem Start beträgt 134,4 km/h.