作为小米13数字系列的影像旗舰，小米13 Ultra首度实现徕卡光学镜头小型化的重大突破，通过运用全新光学镜片架构、超高阶偶次多项式镜片设计、专业光学材质高透光率镜组、以及新一代高稳定态镀膜，将徕卡Summicron镜头带到移动领域。搭载“IMX 989+3*IMX 858”徕卡四摄黄金组合，带来一致的全像素对焦、一致的DOL+HDR、以及一致的LN2降噪技术，同时实现了全焦段大光圈，算力也得到了升级，支持0.8s快速抓拍。此外，小米13 Ultra还支持两档可变光圈。
屏幕方面，小米13 Ultra搭载一块由小米和华星光电联合研发的顶级2K OLED屏幕，运用C7材质打造，拥有超高发光效率，相同亮度下更省电，具备2600nit峰值亮度与1300尼特全局亮度，支持LTPO技术，具备1-120Hz自适应刷新率。同时，拥有超大可视角度、超低色偏，支持高亮度DC调光、低亮度1920Hz PWM高频调光。
小米13 Ultra搭载第二代骁龙8移动平台，匹配LPDDR5X高频内存和UFS 4.0高速闪存，辅以自研环形冷泵散热系统，通过气液分离设计和单向循环结构，实现优异于传统VC三倍的性能。搭载5000mAh大电池，支持90W澎湃秒充、50W小感量无线秒充。新增应急续航模式，1%电量，就能待机60分钟，通话12分钟。