在配置方面，小米4采用5英寸1080p 夏普/JDI OGS全贴合屏幕，搭载2.5GHz骁龙801处理器、内置3GB RAM+16GB/64GB存储组合。小米4配备的是超灵敏触屏，自动识别湿手和手套模式。对于自家的这块5寸1080p屏，小米表示其NTSC色域范围84%，高于iPhone 5s的72%，色彩饱和度更高。最重要的是，小米提供99元/年的意外保险，用于碎屏和意外进水。小米配备的是1300万像素索尼IMX214摄像头（6P），光圈为f/1.8，提供先拍照后对焦、美颜、全屏快门，0秒无延时拍照等功能，能拍摄4K视频，对焦时间为0.3秒，800万前置摄像头来自索尼的IMX219（5P 发/1.8光圈/80度超广角）。小米强调MI4的闪光灯为高动态智能，即合成闪光前后的两张照片，还原环境真实颜色。
该设备前后置摄像头分别为800万和1300万像素，跟此前预期一致。电池为3080毫安时锂离子聚合物电池，小米表示，在系统省电优化的帮助下，它能提供一天半的正常使用的电量。小米4还支持两种标准的快速充电器。支持5V 2A充电器，1小时充电40%，3小时内充满，同时支持9V 1.2A充电器，1小时充电60%，2.5小时内充满。小米手机4标配9V 1.2A充电器。
小米称该设备仍是全球最快的手机，小米4将搭载最新的MIUI V6系统，拥有更加扁平化的设计雷军强调小米4两个月内的供货是100万台，而7月29日开卖联通版，8月开卖电信版，9月开卖移动4G版。
