Điểm đáng chú ý đầu tiên ở Xiaomi Mi5 chính là máy được trang bị chip Snapdragon 820, bộ xử lý di động cao cấp nhất của Qualcomm, kết hợp bộ nhớ RAM đến 4 GB (LPDDR4) và bộ nhớ trong lên đến 128 GB. Đây cũng là lần đầu tiên Xiaomi tích hợp cảm biến vân tay ngay trên nút Home nằm ở mặt trước máy.
Xiaomi Mi5 có màn hình kích thước 5,15 inch cho độ phân giải 1920 x 1080 pixel với công nghệ nền LED cho độ sáng lên đến 600 nit mà theo Xiaomi chúng vẫn tiết kiệm điện năng 17%. Mi5 hiện có sẵn với các tùy chọn màu sắc đen, trắng và vàng cho các phiên bản 32, 64 và 128 GB.
Trong đó, Mi5 Pro là phiên bản cao cấp nhất (Exclusive) trang bị bộ nhớ trong 128 GB với mặt sau làm từ sứ không phải kính như các phiên bản High và Standard.
Các Xiaomi Mi5 đều được trang bị cảm biến máy ảnh Sony IMX298 độ phân giải 16 megapixel với khả năng tự động lấy nét theo pha, chống rung quang học 4 trục và hỗ trợ quay phim 4K. Phía trước là camera 4 MP với điểm ảnh lớn giúp chụp ảnh thiếu sáng tốt hơn.
Nặng 129g, mỏng chỉ 7,25 mm bao gồm pin dung lượng lớn 3.000 mAh, hỗ trợ sạc nhanh Quick Charge 3.0 cho phép sạc đầy 80% pin chỉ trong 30 phút.
Cả ba phiên bản đều được cài sẵn giao diện người dùng MiUI7 tùy biến trên nền tảng Android 6.0 (Marshmallow), được bán ra từ 1-3 tới. Giá chào bán cho các phiên bản gồm: Mi5 Standard (RAM 3 GB, bộ nhớ trong 32 GB) 1.999 nhân dân tệ (tương đương 265 USD); Mi5 High (RAM 4GB, bộ nhớ trong 64 GB) 2.299 nhân dân tệ (tương đương 310 USD); và Mi5 Pro cao cấp 2.699 nhân dân tệ (tương đương 360 USD).