小米4于2014年7月29日正式上市，而2014年11月7日，联通4G版小米手机4发布，支持TD-LTE/FDD-LTE/WCDMA/GSM制式。2015年1月27日，电信4G版小米4手机开放购买。
小米手机4搭载了高通骁龙801MSM8X74AC四核2.5GHz处理器；配备3GBLP-DDR3机身内存，16GB/64GB（eMMC5.0）机身储存。配备5英寸夏普/JDI1080pOGS全贴合屏幕，NTSC色域为84%（后期为95%）。
小米手机4主摄像头采用了1300万像素SonyIMX214，F1.8的大光圈，硬件级支持实时HDR，支持4K视频录制。支持每秒10张连拍，0秒无延时拍照支持快速调整曝光度，先拍照后对焦（自动拍摄5张焦点不同的照片合成），支持动态追焦功能。800万像素的前置相机，F1.8大光圈，80度超广角，支持智能美颜。
小米手机4将内置3080mAh的大电池，不可拆卸，并支持两种快捷充电标准：分别为5V2A和9V1.2A。其中，9V1.2A标准1小时充电60%，2.5小时内充满，充电效率提高15%。
