小米15延续了前代产品的设计语言，但细节打磨更为精细。其机身采用一体成型的航空铝中框，结合四曲面包裹式设计，边框过渡流畅，整机宽度仅71.2毫米，重量控制在191克，兼顾轻便与握持舒适度。背部玻璃面板延伸至镜头模组边缘，形成火山口过渡设计，去除了传统的巴黎饰钉元素，整体风格简洁大气。配色方面，提供丁香紫、浅草绿、黑色、白色四种常规配色，并推出亮银特别版，采用3D热弯玻璃背板与铝金属高亮工艺，呈现出镜面般的光泽效果。
小米15搭载一块6.36英寸OLED直屏，采用独家定制的M9发光材料，分辨率达1.5K（2670×1200像素），PPI高达460。通过LIPO立体封装技术，屏幕四边物理宽度缩窄至1.38毫米，实现近乎四边等宽的视觉效果，屏占比进一步提升。此外，屏幕支持1-120Hz LTPO自适应刷新率，可根据使用场景智能调节，兼顾流畅度与功耗控制。屏幕表面覆盖小米龙晶玻璃，抗摔性能较前代提升10倍，配合超声波指纹识别技术，解锁速度较传统光学方案提升25%。
作为全球首发高通骁龙8至尊版处理器的机型，小米15在性能上实现跨越式升级。该芯片基于台积电3nm工艺制程，采用双超大核Oryon CPU架构（主频达4.32GHz），配合LPDDR5X内存与UFS 4.0闪存，安兔兔综合跑分高达273万，CPU与GPU性能较前代分别提升45%和44%，功耗则降低52%。系统层面搭载澎湃OS 2.0，新增AI写作、AI识音、AI妙画等功能，通过微架构调度器优化任务执行效率，应用启动响应时间缩短45.7%。
影像方面，小米15后置徕卡三摄模组，主摄采用5000万像素光影猎人900传感器（1/1.3英寸大底），支持f/1.62-f/2.2可变光圈，搭配14mm超广角镜头与60mm直立长焦镜头，可实现2.6倍光学变焦与5倍无损变焦。依托Xiaomi AI大模型计算摄影平台2.0，每秒可处理43亿像素数据，显著提升夜景拍摄与动态抓拍能力。前置3200万像素摄像头则优化了人像算法，支持4K视频录制，满足高质量自拍需求。
续航能力是小米15的另一亮点，内置5400mAh金沙江电池，较前代容量增加790mAh，配合能效优化的处理器与屏幕，可满足全天重度使用需求。充电方面支持90W有线秒充与50W无线快充，