小米手機3采用了全球首發的NVIDIA Tegra 4和高通驍龍800最新版“8×74AB系列”中的 8274AB（聯通制式） 和 8674AB（電信制式）頂級四核處理器。
小米手機3在工藝、整體性能上有較高提升。小米手機3機身做到了8.1mm超薄厚度，容納了3050mAh電池、1300萬像素相機、高質量音腔和天線。小米手機3采用了夏普/LG的5英寸全高清IPS視網膜屏幕，屏幕達到1920×1080分辨率，顯示精度比小米手機2提高28%。屏幕采用康寧大猩猩二代玻璃，可見劃痕減少40%，結構強度提高40%。小米3還有壹個亮點，小米3采用Atmel公司的maXTouch觸控方案，可以支持戴手套直接操作，解決了用戶冬天操作觸屏手機的痛點。
外觀：塑料材質，機身厚度為8.1mm，機身側邊加入弧線型設計，與諾基亞Lumia系列機型外觀較為接近，與前兩代的圓潤機身有著很大的區別。
處理器：有高通驍龍800和NVIDIA Tegra 4兩種版本，驍龍800版對應的是中國聯通的WCDMA和中國電信的CDMA2000網絡，而Tegra 4版本則專屬中國移動的TD-SCDMA網絡。
內存：保留了小米2/2S的2GB RAM，機身存儲提供16GB和64GB兩種版本。同時，小米手機3配備2GB LPDDR3運行內存，提供16GB eMMC4.5高速閃存，進壹步提升了I/O性能。
攝像：采用的攝像頭組合為1300萬像素主攝像頭+200萬像素前置攝像頭的組合，主攝像頭的光圈為f/2.2，配備飛利浦雙LED閃光燈，最高可支持1300萬像素每秒連拍10張。同時，小米3還支持NFC與米Hi-Fi等功能。
屏幕：采用的是來自夏普和LG的高清IPS視網膜屏幕，屏幕尺寸提升至5英寸，分辨率提升至1080p級別，每英寸像素數達到480PPI，與此前小米2/2S的342PPI相比有著大幅的升級。為了解決大屏和更快處理器帶來的能耗壓力，小米手機3將電池容量增加至3050mAh。
其他：可以快速GPS定位，實現瞬間抓星，並且保存7天衛星軌跡，再次連接時可以更快搜星。基於Android系統開發的MIUI則升級為MIUI V5版本，該版本將支持超大文件傳輸等功能