Устройство с чипом Snapdragon 8+ Gen 1 от Qualcomm доступно с 8 или 12 Гб оперативной и 256 или 512 Гб встроенной памяти, батареей на 4860 мА•ч с поддержкой быстрой зарядки 67 Вт. Смартфон оснащен Super AMOLED-экраном диагональю 6,7 дюйма с разрешением Quad HD+ (3200х1440 точек).

Главной особенностью новинки стали камеры, созданные в сотрудничестве с компанией Leica, которая отвечала за оптику и программное обеспечение для обработки изображений на устройстве. 12S Ultra получил фронтальную камеру 32 Мп и тройной основной модуль, в котором сверхширокоугольный и телеобъективы 48 Мп дополнены основным объективом 50 Мп с дюймовой матрицей и поддержкой записи видео 8K. Предусмотрены фирменные фильтры Leica для обработки полученных фото.

Флагманский смартфон Xiaomi, получивший акустику Harman Kardon, сертифицирован на защиту от пыли и влаги по стандарту IP68.