小米手机3在工艺、整体性能上有较高提升。小米手机3机身做到了8.1mm超薄厚度，容纳了3050mAh电池、1300万像素相机、高质量音腔和天线。小米手机3采用了夏普/LG5英寸全高清IPS视网膜屏幕，屏幕达到1920×1080分辨率，显示精度比小米手机2提高28%。屏幕采用康宁大猩猩三代玻璃，可见划痕减少40%，结构强度提高40%。小米3还有一个亮点，小米3采用Atmel公司的
maXTouch触控方案，可以支持戴手套直接操作，解决了用户冬天操作触屏手机的痛点。
外观：采用镁铝合金一体框架压铸成型，机身厚度为8.1mm，机身侧边加入弧线型设计，与Lumia机型外观较为接近，与前两代的圆润机身有着很大的区别。
处理器：有高通骁龙800和NVIDIA Tegra 4两种版本，骁龙800版对应的是中国联通的WCDMA和中国电信的CDMA2000网络，而Tegra 4版本则专属中国移动的TD-SCDMA网络。
内存：保留了小米2/2S的2GB RAM，机身存储提供16GB和64GB两种版本。同时，小米手机3配备2GB LPDDR3运行内存，提供16GB eMMC4.5高速闪存，进一步提升了I/O性能。
摄像：采用的摄像头组合为1300万像素主摄像头+200万像素前置摄像头的组合，主摄像头的光圈为f/2.2，配备飞利浦双LED闪光灯，可支持1300万像素每秒连拍10张。同时，小米3还支持NFC与米Hi-Fi等功能。
屏幕：采用的是来自夏普和LG的高清IPS视网膜屏幕，屏幕尺寸提升至5英寸，分辨率提升至1080p级别，每英寸像素数达到441PPI，与此前小米2/2S的342PPI相比有着大幅的升级。为了解决大屏和更快处理器带来的能耗压力，小米手机3将电池容量增加至3050mAh。
其他：可以快速GPS定位，实现瞬间抓星，并且保存7天卫星轨迹，再次连接时可以更快搜星。基于Android系统开发的MIUI则升级为MIUI V5版本，该版本将支持超大文件传输等功能。