Oficjalna prezentacja drugiej generacji samochodów CTS odbyła się podczas Salonu Samochodowego w Detroit (NAIAS) w styczniu 2007 roku, natomiast sprzedaż pojazdów ruszyła kilka miesięcy później, we wrześniu. Ogólna koncepcja konstrukcyjna nie uległa zmianie. Zachowano dotychczasowy rozstaw osi, ale rozstaw kół został powiększony. Nowe nadwozie typu notch-back było nieco dłuższe i szersze od poprzednika, lecz zachowana została podobna stylistyka.

Silnik w układzie V6 o pojemności skokowej 2,8 dm3 stosowano w wersjach eksportowych, natomiast bazowa jednostka napędowa na rynku amerykańskim miała pojemność 3,6 dm3. Oba silniki zostały zmodernizowane i miały podwyższone osiągi. Większy silnik oferowano w dwóch wersjach, przy czym mocniejsza miała bezpośredni wtrysk benzyny. Podstawowe modele miały napęd kół tylnych, ale dostępna była także wersja z napędem obu osi (AWD).

W 2008 roku, podczas Salonu Samochodowego w Detroit pokazano prototyp wersji nadwoziowej coupe, ale jej produkcja ruszyła dopiero w drugiej połowie 2010 roku. Drugą nowością była wówczas usportowiona wersja CTS-V, wyposażona w potężny doładowany silnik w układzie V8 pochodzący z samochodu Chevrolet Corvette.

Jesienią 2009 roku, wprowadzono na rynek wersję z pięciodrzwiowym nadwoziem typu kombi o nazwie Sport Wagon. Również w 2009 roku wprowadzono nowy mniejszy silnik V6 wyposażony w bezpośredni wtrysk benzyny, który miał pojemność skokową 3,0 dm3.

W 2010 roku wprowadzono na rynek usportowione wersje CTS-V nadwoziami typu coupe oraz kombi.

Zakończenie produkcji samochodów rodziny CTS drugiej generacji nastąpiło w 2013 roku.