小米15系列预计将于2023年10月底正式发布，紧跟高通在夏威夷骁龙峰会期间发布的骁龙8 Gen4处理器之后，也将成为全球首批搭载骁龙8 Gen4处理器的。该处理器采用高通自研的Nuvia架构，带来前所未有的双集群八核心架构，性能和能效均有显著提升。不过，由于新工艺成本较高，预计手机售价将上调25%-30%。

小米15标准版将配备1.5K分辨率直屏，尺寸与小米14系列相似，而Pro版本则继续采用2K分辨率全等深微曲屏，提供更佳的视觉体验和更窄的边框，并且小米15系列将首次使用汇顶提供的超声波指纹识别技术，提供更精准、更便捷的解锁体验，尤其适用于湿手操作。
小米15 Pro将配备6000mAh的硅负极电池并支持90W闪充，虽然快充功率有所下降，但更大的电池容量将大幅提升续航能力。
小米15标准版与Pro版本在相机设计上保持一致，均采用方形Deco设计和外置闪光灯。标准版主摄为5000万像素，Pro版则配备5000万像素超大底主摄、超广角及潜望长焦镜头，为高端影像体验树立新标杆。
小米15系列将采用玻璃纤维新材料作为后壳，这种轻质且具有高机械强度的材料，不仅提供了良好的保护，还带来了多样化的美观效果。