作为曾经的高端旗舰机型，小米15 Ultra所搭载的是高通旗下的骁龙8至尊版芯片，尽管说这颗芯片如今已经属于是旧款旗舰芯的存在了，可性能释放上依旧是毫不含糊，针对于大型游戏高帧运行、多任务切换、4K视频剪辑，都能轻松驾驭，还配备的有双路翼型环形冷泵散热系统，能通过增加热传导接触面积，让热量更快的被带走，性能释放得出来，温度也能压得住。
小米15Ultra内置的6000mAh金沙江电池，在满电状态，配合澎湃G2和P3芯片，续航能力长达1.46天（DOU）。支持的90W有线快充，42分钟即可将6000mAh金沙江电池充至100%电量；支持的80W无线快充，38分钟即可将6000mAh金沙江电池充至50%电量。
小米15Ultra采用6.73英寸2K全等深微曲屏采用华星光电M9材质，峰值亮度达3200nit，支持1-120HzLTPO自适应刷新率，支持1920HzPWM调光、DC调光，还有TÜV三重护眼认证，配合小米龙晶玻璃2.0和超声波指纹解锁，在显示效果和使用体验上都达到顶级水准。
小米15Ultra的核心竞争力首先体现在其强大的影像硬件配置上，后置5000万像素主摄，采用索尼LYT-900传感器，拥有一英寸大底、f/1.63的超大光圈，这套徕卡Summilux光学系统，并非简单的参数堆砌，而是经过光学重构的专业级解决方案：8P非球面镜片结构确保从中心到边缘的画质一致性，双面防眩光镀膜与康宁GorillaGlass7i的组合有效抑制了夜景拍摄中的炫光和鬼影现象。
小米15Ultra后置潜望式长焦，采用三星H9传感器，等效100mm焦距，最高支持200mm/400mm变焦，等效100mm焦段下可实现4.3倍光学变焦，等效200mm焦段下可实现8.6倍光学变焦，等效400mm焦段下可实现17.2倍光学变焦，满足各种场景下的拍摄需求。
小米15Ultra的外观设计灵感源自百年徕卡相机，推出了经典银黑与松柏绿两款配色。松柏绿版本采用高级荔枝皮纹理素皮，触感细腻，模拟传统相机蒙皮；银色玻璃版本则展现了现代工艺与复古质感的完美结合。背部左上角的“Ultra”铭牌设计灵感来自旁轴相机的取景器，进一步强化了“相机感”。
