小米手机3采用了镁铝合金一体框架，压铸成型。小米为该机配备了一块5寸全高清IPS显示屏，分辨率为1920×1080，像素密度441ppi，屏幕供应商为夏普和LG。该机还支持超灵敏触摸屏，手指带水也可操控触摸屏。摄像头方面，小米3采用一颗索尼1300万像素堆栈式摄像头，具备F2.2大光圈和28mm超大广角，5片特制镜头;前置为200万像素背照式摄像头，支持1080P高清视频拍摄。配备双LED闪光灯，支持1300万像素高画质每秒10连拍。小米3还支持智能美颜功能，自带相机能识别年龄和性别，根据不同性别和年龄，来匹配不同的美颜方案。

小米手机3将有两种不同处理器版本，分别搭载NVIDIA Tegra 4和高通骁龙800处理器。其中Tegra 4主频1.8GHz，采用了四核A15高性能架构，支持移动TD;而晓龙800具体型号为8974AB四核2.3GHz，支持中国联通和中国电信3G。均搭载2GB LPDDR3内存，配备16GB高速闪存。小米3配备3050mAh大容量电池，电池为锂离子聚合物，支持快速充电。