Thiết kế tổng thể của Xiaomi 15 không khác biệt so với thế hệ trước với khung viền phẳng, cụm camera vuông kích thước lớn. Tuy nhiên, phần tiếp nối giữa mặt lưng, màn hình và khung sườn bo cong nhẹ, cho cảm giác cầm và sử dụng tốt hơn. Chất liệu kính mờ của mặt lưng không bị bám vân tay. Khả năng kháng nước của máy vẫn là IP68 giống Galaxy S25 và iPhone 16 Pro.
Xiaomi cũng cắt giảm củ sạc trên mẫu smartphone cao cấp của hãng, tương tự Samsung và Apple, nhưng tặng kèm ốp lưng.
Máy trang bị màn hình CrystalRes AMOLED 6,36 inch độ phân giải 1,5K tần số quét 120 Hz. Độ sáng tối đa tăng nhẹ từ mức 3.000 nit của thế hệ trước lên 3.200 nit. Hiện chỉ còn Samsung, Apple và Xiaomi sản xuất smartphone cao cấp với kích thước màn hình từ 6,2 đến 6,4 inch, hướng tới những người thích những mẫu máy có phần cứng và công nghệ tiên tiến nhưng nhỏ gọn.
Thông số máy ảnh không khác biệt thế hệ trước, vẫn dùng hệ thống ba camera sau với ống kính Vario-Summilux cao cấp của Leica độ phân giải 50 megapixel. Camera chính dùng cảm biến ảnh mới Light Fusion 900, ống kính khẩu độ f/1.6 cho khả năng chụp thiếu sáng tốt. Ống tele tiêu cự 75 mm và zoom quang 3.2x. Cả hai hỗ trợ chống rung quang học OIS, còn góc siêu rộng là chống rung điện tử.
Camera trước có độ phân giải 32 megapixel với khả năng quay phim 4K/60 fps. Các thông số này vượt trội so với đối thủ đến từ Samsung và Apple.
Hình ảnh chụp từ Xiaomi 15 nổi bật về độ nét, tương phản. Người dùng có các bộ lọc màu của Leica cho hình ảnh đẹp hơn mà không cần chỉnh sửa. Tốc độ chụp và xử lý hình ảnh nhanh hơn trước.
Máy tập trung vào AI tạo sinh với Hyper AI cho phép máy xử lý tác vụ AI ngay trên thiết bị. Ngoài xử lý ảnh, AI của Xiaomi cũng hỗ trợ tính năng như ghi chú, chỉnh sửa hình ảnh, ghi âm, phiên dịch... Các tính năng AI của Xiaomi chưa hỗ trợ tiếng Việt tốt như của Samsung, nhưng được đánh giá cao hơn của Apple.
Sản phẩm trang bị chip Snapdragon 8 Elite, RAM 12 GB và hai phiên bản bộ nhớ trong 256 và 512 GB với giá lần lượt 24,99 triệu và 26,99 triệu đồng. Đây là thông số phần cứng thuộc hàng tốt nhất trên smartphone Android hiện nay.
Máy chạy Xiaomi HyperOS 2 trên nền tảng Android 15 với tính năng hữu ích là HyperConnect cho phép kết nối với PC Windows hay thiết bị của Apple.
Tương tự các nhà sản xuất từ Trung Quốc khác, Xiaomi 15 sử dụng pin silicon carbon có dung lượng cao nhưng không làm tăng kích thước máy. Pin đạt mức 5.240, cao hơn nhiều mức 4.000 mAh của Galaxy S25. Máy vẫn hỗ trợ công nghệ sạc nhanh Xiaomi Adaptive Charge 90 W và sạc không dây 50 W.