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/LG的5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：塑料材质，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。