整个光学系统由内至外每一处光学元件都是全新设。

卢伟冰表示，小米15 Ultra搭载了小米史上最强通信系统，采用三芯设计，包括两颗T1S芯片和一颗T1芯片。这款手机在无网通线公里的最远通话距离，刷新行业纪录。同时，支持北斗(或仅限顶配版本)和天通双卫星通信，确保信号更稳定、覆盖更广泛。

续航和充电方面，小米15 Ultra支持90W的有线W的无线mAh的大容量电池。这款电池拥有10%的超高含硅量，被官方称为“最强小米金沙江电池”。在日常使用中，小米15 Ultra的续航能力可达1.46天，即使在1000次有效充电循环后，电池可用容量仍保持在90%以上。

据小米官方介绍，此次与徕卡联手打造的“徕卡2亿超级长焦”，拥有2.24m四合一超大像素、小米“迄今最大”通光孔，等效直径为 9.4mm，支持 200mm、400mm 无损变焦，号称“小米最长超长焦”。

影像是此次小米15 Ultra的重头戏。这款新机将首发徕卡超纯光学系统，搭载1英寸主摄及徕卡2亿超级长焦，画质纯净度、进光量再度提升，号称“冠绝历代 Ultra”。

机身背部采用了经典的黑银拼色搭配高级的荔枝皮纹理;结构方面，采用了坚固的四曲面中框设计和一体成型的火山口镜头造型。官方表示：该机的设计与 100 年来堪称最伟大的相机设计相融，这是跨越百年的共鸣，更是全新工艺科技的极致表达。”

外观设计上，小米15 Ultra正面采用6.73英寸LTPO AMOLED全等深四微曲面屏，分辨率为3200×1440，表面覆有龙晶玻璃2.0;背部摄像头模组呈现圆形，排列着四颗摄像头。摄像头模块上还刻有“LEICA”标志。同时，手机顶部还特别标注了“Ultra”字样，与小米SU7 Ultra的字体保持一致。