其中主摄是索尼LYT900，拥有1英寸超级大底，长焦是三星HP9，这枚传感器拥有1/1.4英寸的大底和2亿像素的高分辨率，能够捕捉到极致的细节。
通过4x4像素合并技术，HP9在低光环境下能输出清晰明亮的1200万像素照片，此时单像素大小可达2.24m。
并且HP9传感器采用了高折射率微透镜技术，利用新材料增强了感光能力，相比上一代产品，HP9感光度提升了12%，自动对焦的对比度性能也提高了10%，使得拍摄的照片色彩更加生动，对焦更加精准。
工业设计上，小米15 Ultra正面是2K全等深四微曲屏幕，背部是环形相机，镜头排列跟14 Ultra有明显区别，主摄、直立长焦和超广角并列排布，潜望长焦放到了右上角位置。
另外，小米15 Ultra搭载高通骁龙8至尊版移动平台，支持超声波指纹识别，支持卫星通信，有两种型号，标准版型号是25019PNF3C，支持天通卫星通信，顶配版型号是25010PN30C，同时支持天通卫星通信和北斗三号短报文。