از نظر طراحی، Xperia Z3 نیز همانند Z2 از پشت و روی تمام شیشه‌ای با نوار آلومینیومی قوس‌دار در تمامی اطراف بدنه بهره می‌برد و در کل از ظاهری بسیار شیک و مدرن برخوردار است. کاهش 1.3 میلی‌متری عرض -- که به لطف کاهش حاشیه صفحه نمایش رخ داده -- در کنار ضخامت 7.3 میلی متری Z3 -- که 0.9 میلی متر کمتر از ضخامت Z2 است -- پرچمدار جدید سونی را به یک اسمارت‌فون خوش‌دست‌تر نسبت به نسل پیشین تبدیل کرده. در Z3 لبه‌های آلومینیومی گرد شده و گوشه‌ها با پوشش نایلونی پوشش داده شده‌اند تا هنگام سقوط احتمالی و زمین خوردن گوشه‌ها آسیب کمتری به دستگاه برسد.

پرچمدار جدید سونی همانند نسل قبل به صفحه نمایشی 5.2 اینچی IPS LCD با رزولوشن فول اچ دی 1920 x 1080 پیکسل مجهز است که دانسیته 424 پیکسل بر اینچ را به دست می‌دهد. بدین ترتیب سونی در این پرچمدار خود قصد رقابت در رزولوشن صفحه نمایش را با رقیبی چون LG G 3 -- با صفحه نمایشی با تراکم 534 پیکسل در اینچ و رزولوشن QHD -- را نداشته است و شاید در ابعاد 5.2 اینچی صفحه نمایش، رزولوشن بالاتر و در نتیجه تراکم پیکسلی بالاتر از آنچه Z3 ارائه می‌دهد نیز به چشم نیاید.

سونی در Xperia Z3 نیز از فناوری TRILUMINOUS Display خود -- که مشابه آنرا در تلویزیون‌های براویا این کمپانی هم شاهد هستیم -- بهره برده که می‌تواند طیف رنگی طبیعی و وسیعی را پوشش دهد. استفاده از فناوری Live Colour LED نیز افزایش عمق و تفکیک رنگی را به همراه خواهد داشت. موتور آنالیز و پردازش تصویر X-Reality سونی هم با تحلیل تصاویر، امکان بهبود کنتراست و بهینه‌سازی رنگ‌ها برای نمایش شارپ و مناسب تصاویر و ویدیوها و کاهش نویز تصویر را فراهم می‌آورد.

Xperia Z3 به آخرین نسخه اندروید یعنی اندروید 4.4.4 کیت‌کت مجهز است. سونی واسط کاربری خود را بر روی اندروید قرار داده و قدری آنرا از اندروید خام دور کرده. البته این واسط کاربری بسیار شبیه به واسط کاربری دیگر Xperiaهای جدید است و کاربران سونی با آن احساس نزدیکی کامل خواهند کرد.

سونی از چیپ‌ست Snapdragon 801 کوالکام -- مشتمل بر چهار هسته پردازشی Kraint 400 که با فرکانس 2.5 گیگاهرتز کار می‌کنند و واحد پردازش گرافیکی Adreno 330 -- در Xperia Z3 استفاده کرده. 3 گیگابایت حافظه RAM در تعامل با پردازنده Z3 بوده و در نسخه متداول این گوشی 16 گیگابایت حافظه در نظر گرفته شده که تقریباً 4 گیگابایت آن به firmware اختصاص یافته و 12 گیگابایت نیز در اختیار کاربر قرار می‌گیرد. البته نسخه D6616 این گوشی به 32 گیگابایت حافظه داخلی مجهز خواهد بود. پشتیبانی از کارت حافظه microSD با ظرفیت حداکثر 128 گیگابایت نیز برای این گوشی در نظر گرفته شده است.

Xperia Z3 به دوربین اصلی 20.7 مگاپیکسلی مجهز است. هرچند رزولوشن این دوربین مشابه دوربین Z2 است اما نسبت به آن بهبودهایی را شاهد بوده. سرعت ISO دوربین Z3 که به سنسور بزرگ Exmor RS مجهز است می‌تواند به 12,800 برسد که بنا به گفته سونی نخستین دوربین گوشی هوشمند است که چنین سرعتی را داراست. این سرعت بالا به معنای حساسیت بالاتر و در نتیجه نورگیری بیشتر در شرایط روشنایی کم محیط خواهد بود. مطابق نسل‌های قبلی، برنامه‌های گوناگونی، ویژه دوربین در Xperia Z3 تعبیه شده که در همان محیط viewfinder دوربین در دسترس است و می‌توان برنامه‌های جدیدی را نیز دانلود نموده و به فهرست برنامه‌ها اضافه نمود.

امکان فیلم برداری 4K (رزولوشن 3840 x 2160 پیکسل یا به عبارتی 2160p) با سرعت 30 فریم بر ثانیه، فیلمبرداری 1080p با سرعت 60 فریم بر ثانیه و فیلمبرداری 720p با سرعت 120 فریم بر ثانیه توسط Xperia Z3 وجود دارد. دوربین ثانویه 2.2 مگاپیکسلی این گوشی نیز با قابلیت فیلمبرداری 1080p با سرعت 30 فریم بر ثانیه، امکان مکالمات تصویری را برای کاربر فراهم می‌آورد.

Xperia Z3 از استانداردهای IP65 و IP68 برخوردار است که این به معنای مقاومت کلی در برابر گرد و خاک و مقامت در برابر پاشیده شدن آب از هر جهت با شدت کم و یا قوطه ور شدن در آب تازه حداکثر به مدت 30 دقیقه و در عمق حداکثر یک و نیم متری است. البته باید توجه داشت که درپوش‌های اسلات کارت حافظه، اسلات میکروسیم و پورت میکرو یو اس بی باید به خوبی بسته شده باشند.