小米3采用Tegra 4+骁龙800双版本处理器，2GB内存，5英寸全高清夏普IPS视网膜屏、441PPI，1920×1080分辨率，16:9主流比例。全视角和OGS单玻璃全贴合技术。相机则配备了F2.2光圈的索尼1300万像素堆栈式相机，尺寸为144mm×72mm×8.1mm，重量仅145g。镁铝合金一体框架，压铸成型。电池容量为3050mAh，但不可更换。小米3还添加了一些新功能：GPS瞬间抓星，Immersion震动、米音2.0、NFC、5G WiFi等。