小米9采用前后双玻璃设计，主打全曲面机身，正面采用6.39英寸水滴屏设计，配备了第五代屏幕指纹识别技术，其通过低蓝光护眼认证，下巴仅3.6mm宽。中框提供了AI按键和红外遥控。玻璃后盖实现了多种渐变色设计，三种颜色起名为全息幻彩紫、全息幻彩蓝、深空灰。
拍照方面小米9采用后置三摄设计，包括4800万像素索尼IMX586主摄，1600万像素广角/微距摄像头，三星S5K3M5 2倍光学变焦摄像头。前置摄像头为2000万像素。小米9支持960帧慢动作、超广角运动跟拍。在著名的DxOMark相机跑分上，小米9总分达到了107分，达到了世界第三，其中视频得分达到了99分，排名世界第一。
配置方面，小米9拥有骁龙855加持，有线充电支持27W快充，无线充电达到了20W，无线仅需1小时30分钟即可充满。双频GPS、NFC等配置也没有缺席。通过更大音腔与更大扬声器，小米9扬声器音量达到了小米8的2倍。