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テスラモーターズは2008年時点で、2010年モデルとして導入される予定だったセダンにも取り組んでいた[14]。それが「テスラ・モデルS」で、当時は「ホワイトスター」というコードネームで呼ばれていた。

その段階で、モデルSの推定価格は60,000米ドルであり、BMW 5シリーズやアウディ・A6などの車に代わる物として設計されていた。カリフォルニア州知事 アーノルド・シュワルツェネッガーはこの新しいモデルの発表会に出席し、モデルSがカリフォルニア州サンノゼの新工場で造られることを発表した[15][16]。 2009年3月にはモデルSが発表された。大人5人と子供2人が座れるセダンタイプで、家庭用コンセントから充電可能。

一度の充電にかかる時間はわずか45分で、最高300マイル（≒483km）の走行が可能だという。 モデルSは、80D、85D、P85D（performance 85D)、 特別 90D の3つの種類に分かれている。 燃費もトヨタ・プリウスのおよそ2倍で、370km走っても電気代が500円程度で済む[17]ともされた。

2016年5月7日、アメリカ、フロリダで自動運転で初の死亡事故がテスラ・モデルSで起きた[18]。

パナソニックと米国のEV（電気自動車）メーカー Tesla Motors は2011年10月11日、EV 用リチウム イオン電池の供給契約を結んだと発表した。これにより、パナソニックは今後4年間、EV 8万台分以上のリチウム イオン電池を Tesla Motors へ供給することになる。


このリチウム イオン電池は、Tesla Motors のセダン型 EV「Model S」
向け。Model S
は2012年に量産を開始する予定で、すでに6,000台以上の予約が入っている。パナソニックとの供給契約を締結したことで、Tesla Motors
は Model S の量産に十分な量の電池を確保できるうえ、目標コスト/利益の実現に目処がついたとしている。


なお、パナソニックは以前から Tesla Motors と協業しており、2009年に両社初の供給契約を締結。2010年には3,000万ドルを出資し、資本関係がある。