小米3采用Tegra 4+驍龍800雙版本處理器，2GB內存，5英寸全高清夏普ipS視網膜屏、441PPI，1920×1080分辨率，16:9主流比例。全視角和OGS單玻璃全貼合技術。相機則配備了F2.2光圈的索尼1300萬像素堆棧式相機，尺寸為144mm×72mm×8.1mm，重量僅145g。鎂鋁合金一體框架，壓鑄成型。電池容量為3050mAh，但不可更換。小米3還添加了一些新功能：GPS瞬間抓星，Immersion震動、米音2.0、NFC、5G WiFi等。