这是小米和徕卡联合研发的第一款超高端旗舰，它搭载徕卡专业光学镜头，8P镜头，全镜片双面超低反镀膜，可逐片边缘涂墨。采用了新型环烯烃材料，反射率低至0.2%，透光率高达93%，可减轻眩光，消除紫边。此外，小米12S Ultra内置了四款滤镜，分别是徕卡鲜艳、徕卡自然、徕卡单色、徕卡单色HC，小米将徕卡相机M11中的四款滤镜完美移植到了手机之中。更重要的是，小米12S Ultra还搭载索尼IMX989 1英寸超级大底传感器。雷军指出，索尼IMX989是小米与索尼联合研发，小米工程师团队参与了IMX989的规格定义和部分设计及验证工作。
性能方面，小米12S Ultra搭载了骁龙8+处理器，首次采用"叶脉冷泵散热系统"，导热性能相比传统VC提升100%。该机还搭载小米澎湃G1电池管理芯片+小米澎湃P1快充芯片双芯片，配备第二代硅氧负极电池，容量达4860mAh，支持67W有线秒充、50W无线秒充、10W无线反充。
