小米3搭载了2.3GHz骁龙800处理器，采用5英寸1080p显示屏，支持超灵敏触控，内建2GB RAM，分为16/32GB两个容量版本，此外TD版小米3搭载了1.8GHz英伟达Tegra 4处理器，其余配置上相同。此外，小米3还配有1300万像素的主镜头，前置镜头为200万像素背照。机身厚度为8.1mm，机身侧边加入弧线型设计，内置了一块3050毫安时电池。系统方面，小米3运行着基于Android 4.3深度定制的MIUI系统。