小米3搭载的是一颗高通骁龙800处理器，采用4颗主频为2.3GHz的Krait 400核心。这种处理器架构在当时属于旗舰级水平，能够为用户提供出色的性能体验。

4颗处理器核心意味着小米3可以同时处理多个任务，并且在运行大型游戏和应用程序时也能保持流畅运行。与当时的主流双核处理器相比，小米3的四核处理器优势明显。

此外，小米3还配备了Adreno 330图形处理器，可以为用户带来更好的游戏体验。在发布之初，小米3的性能足以满足大多数用户的需求，即使放到今天依然能够胜任日常使用。