小米手机3采用5英寸1080p屏幕，外观方面与前两代产品有着很大的改变，支持超灵敏触控；拥有骁龙800/Tegra 4两种配置。中国移动版为NVIDIA Tegra 4，移动用户不换卡就能享受3G服务。中国联通版和中国电信版，为高通骁龙800，支持中国联通和中国电信3G。

小米手机3在工艺、整体性能上有较高提升。小米手机3采用铝镁合金一体成型工业设计方案，整体机身更加牢固强悍，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。